研究者らは、生物学的窒素固定を担う遺伝的機構を細菌の新株に導入できることを実証し、この重要な農業形質が自然界でどのように広がるのかをより明確に理解し、農業の合成窒素肥料への依存を減らす新たな道を開く可能性がある。
調査結果は、現在の生物学5 月 28 日は、エンドウ豆や豆などのマメ科作物と共生関係を形成する野生の根粒菌-の土壌細菌に焦点を当てます。これらの細菌は大気中の窒素を植物が利用できる形に変換し、外部からの窒素肥料をほとんどまたはまったく使わなくてもマメ科植物が生育できるようにします。科学者らは、この研究は、この共生を支配する遺伝子を、これまでその能力を欠いていた細菌系統がどのようにして獲得できるのかを明らかにし、生物学的窒素固定を他の作物に拡張するための重要な一歩となると述べている。
共生の遺伝的基盤を理解する
Angeliqua P. Montoyaらが主導したこの研究は、野生の根粒菌で新たに出現した内部共生関係の進化ゲノミクスを調べた。窒素固定遺伝子が細菌集団間でどのように移動するかを追跡することにより、研究者らは細菌が植物と良好なパートナーシップを確立することを可能にする遺伝的経路を特定することができました。
マメ科植物の窒素固定は特殊な根粒に依存しており、根粒菌は生物学的に固定された窒素と引き換えに宿主植物から炭水化物を受け取ります。この関係は何百万年もかけて自然に進化してきましたが、科学者たちは長い間、非マメ科作物でも同様のシステムを再現する方法を模索してきました。-
この研究は、共生に必要な遺伝形質が細菌系統全体に広がる可能性があるという新たな証拠を提供し、窒素固定パートナーシップの進化がこれまで理解されていたよりも柔軟である可能性があることを示唆しています。{0}このような発見は、研究者が穀物に関連する細菌において同様の関係を確立するために必要な遺伝的前提条件を特定するのに役立つ可能性がある。
肥料市場にとってブレークスルーが重要な理由
生物学的窒素固定の重要性は植物生物学をはるかに超えています。世界の主要な主食作物-小麦、トウモロコシ、米など-のほとんどは大気中の窒素を固定できないため、ハーバー ボッシュ プロセスによって生成される窒素肥料に大きく依存しています。-
窒素肥料の基礎となるアンモニアの製造は、世界中で最もエネルギーを大量に消費する産業プロセスの 1 つであり、依然として天然ガスのコスト、地政学的混乱、貿易制限に大きくさらされています。{0}中東の航路や主要生産国からの輸出規制に関連した供給懸念など、最近の肥料市場の不安定性を受けて、合成窒素への依存を軽減できる技術への関心が改めて高まっている。
穀物が生物学的固定を通じて窒素必要量の有意義な割合を得ることができれば、肥料需要への長期的な影響は大きくなる可能性があります。{0}}このような移行はまだ遠いですが、より持続可能な栄養管理ソリューションを求める農業バイオテクノロジー企業、生物学的投入開発会社、および主要な作物-栄養素の供給者-から多大な投資を集めています。
これまでの進歩を踏まえて構築
この新しい研究は、植物と微生物の共生を支配する分子機構を理解することを目的とした増え続ける研究に追加されるものです。{0}これまでの研究により、植物が窒素固定細菌を受け入れるか拒否するかを決定する特定の植物タンパク質、シグナル伝達経路、カルシウムを介した反応が特定されてきました。{{2}
研究者らはすでにモデル植物やオオムギなどの一部の穀物種で概念の改変を実証しており、共生シグナル伝達ネットワークの構成要素を操作できることを示しています。--しかし、主要な穀物において信頼性が高く、経済的に意味のある窒素固定を達成することは、依然として農業科学における最も野心的な目標の 1 つです。
Current Biology の発見は、関係の微生物側に焦点を当てることで補完的な視点を提供し、自然環境において窒素固定能力がどのように出現し、細菌集団間で拡散するかを明らかにしています。{0}
商用展開はまだ数年先になる
科学の進歩にもかかわらず、研究者らは、実用的な農業への応用は依然として長期的な目標であると警告しています。{0}}野生の細菌系における遺伝子導入と共生能力の実証は、重要な科学的マイルストーンを意味しますが、そのような発見を商品化するまでには大きな課題が残されています。
生物肥料セクターは過去 10 年間、多額のベンチャーキャピタルや企業投資を集めてきましたが、企業が現場の条件下で実験室の結果を一貫して再現するのに苦労しており、この業界も挫折を経験しています。安定した定着、十分な窒素固定率、および栽培者への経済的利益を達成することは、依然として複雑な課題です。
結果として、最新の発見が肥料需要に直ちに影響を与える可能性は低い。むしろ、それらは、合成窒素の用途を補完または部分的に代替するように設計された次世代の微生物技術の開発を最終的にサポートする可能性のある科学的基盤の成長に貢献しています。-
研究者の次のステップ
研究の次の段階では、野生の根粒菌で特定された遺伝的メカニズムを、穀物の根と自然に関連する細菌種に導入できるかどうかに焦点を当てます。次に、科学者は、これらの操作された微生物群集が、商業的農業条件下で測定可能な農業上の利益をもたらすのに十分な生物学的に固定された窒素を提供できるかどうかを判断する必要があります。
成功は作物の栄養に大きな変化をもたらし、農家が収量を維持しながら肥料の使用を削減できる可能性がある。しかし今のところ、この研究は、農業で最も求められている目標の 1 つである主要穀物が、製造された肥料に完全に依存するのではなく、生物学的パートナーシップを通じて窒素を利用できるようにするという、初期ではあるものの注目に値する一歩に過ぎません。{1}}
