Współczesne problemy rolnictwa

Współczesne problemy rolnictwa są liczne i dotyczą wielu obszarów. Wraz ze wzrostem populacji na świecie rośnie również zapotrzebowanie na żywność. Jednak uprawa tak dużych ilości pożywienia ma negatywny wpływ na środowisko. Stosowanie dużej ilości chemikaliów w monokulturach prowadzi do zmniejszenia bioróżnorodności i eutrofizacji wód. Dlatego zarządzanie tymi wyzwaniami jest kluczowe dla zapewnienia zrównoważonej i efektywnej produkcji żywności, jednocześnie chroniąc środowisko.

W roku 2022 grunty rolne stanowiły aż 18696,5 ha powierzchni Polski (czyli prawie 60%!). W 2021 roku, według danych Głównego Urzędu Statystycznego, produkcja roślinna w Polsce osiągnęła wartość około 135 miliardów złotych [4]. Jednak choroby roślin spowodowane przez mikroorganizmy, szkodniki(takie jak owady i gryzonie), oraz konkurencja ze strony chwastów mogą obniżać plony i zmniejszać zyski rolników. Tradycyjne metody walki z tymi zagrożeniami, takie jak sztuczne nawozy, fungicydy i herbicydy, prowadzą do utraty bioróżnorodności oraz negatywnie wpływają na zdrowie ludzi i zwierząt. Z tego powodu naukowcy zwracają uwagę na konieczność opracowania skutecznych i naturalnych metod zwiększania plonów oraz biologicznej ochrony przed szkodnikami.

Symbioza roślina-bakteria

Symbioza roślina-bakteria jest kolejnym istotnym aspektem współczesnego rolnictwa i bardzo obiecującą metodą na rozwiązanie wyżej wymienionych problemów. Rośliny motylkowe, takie jak groch oraz fasola, mogą nawiązywać symbiozę z bakteriami glebowymi, zwłaszcza z rodzaju Rhizobium. Dzięki temu rośliny są w stanie efektywnie wykorzystywać azot atmosferyczny. Sygnały molekularne, nazywane czynnikami Nod, wytwarzane przez te bakterie, są kluczowe dla nawiązania symbiozy i stymulacji rozwoju brodawek korzeniowych. Symbioza ta działała na prostej zasadzie – rośliny strączkowe dzięki produktom fotosyntezy zapewniają źródło węgla dla bakterii glebowych, podczas gdy bakterie dostarczają roślinom łatwo przyswajalny azot zapewniający im optymalny wzrost. Jest to unikalny proces, w którym bakterie po przekształceniu swoich komórek w bakteroidy, mogą redukować azot z powietrza (niedostępny w normalnych warunkach) w łatwo przyswajalny dla roślin amoniak, który w późniejszych procesach redukowany jest do jonów azotanowych [1]

Słów kilka o czynnikach Nod

Wzajemne rozpoznawanie partnerów symbiotycznych opiera się na wymianie specyficznych sygnałów molekularnych pochodzących od roślin i bakterii. Korzenie roślin wydzielają grupę związków organicznych – flawonoidów, w odpowiedzi rizobia wytwarzają lipochitooligosacharydy (tzw. czynniki Nod) [1]. Czynniki te są kluczowymi cząsteczkami sygnałowymi, które inicjują interakcje symbiotyczne i są niezbędne do ustanowienia skutecznej symbiozy między rizobiami, a roślinami strączkowymi [2]. Aktywują zwiększanie ilości podziałów komórkowych poprzez regulację poziomów auksyn (hormon wzrostu stożkowego) w roślinach. Udowodniono, że czynniki Nod mają również wpływ na wiele procesów zachodzących w roślinach, takich jak: stymulacja kiełkowania nasion, promowanie rozgałęziania się korzeni czy wzrostu pędów [3].

Niesamowity patent polskich naukowców

Współpraca naukowców z Uniwersytetu Marii Curie-Skłodowskiej w Lublinie (UMCS) oraz Instytutu Uprawy, Nawożenia i Gleboznawstwa – PIB w Puławach (IUNG) umożliwiła izolację kluczowych czynników, które wpływają na inicjację i rozwój brodawek korzeniowych u roślin (czynników Nod) [6].

Warto w tym momencie wyjaśnić na czym polega innowacyjność tego patentu. Klasycznie, badania nad czynnikami Nod opierały się na badaniu ich wpływu tylko na rośliny, które naturalnie wykazują zdolność do symbiozy z bakteriami z rodzaju Rhizobium. Wiele lat badań wykazało, że podczas uprawy roślin strączkowych, zewnętrznie dodane czynniki Nod wpływają pozytywnie na wzrost i rozwój tych roślin przy równoczesnym, mniejszym zapotrzebowaniu na nawożenie azotem [1].

To właśnie badania związane z patentem wyjaśniały wpływ tych wyizolowanych czynników na inne typy roślin uprawnych, zaś sam patent skupiał się na wyizolowaniu tych czynników z hodowli bakteryjnej indukowanej flawonoidem (naringeniną) i wstępnym określeniu wpływu tych frakcji na wybrane rośliny [6].

Czynniki Nod nie są tradycyjnie uważane za czynniki sprzyjające wzrostowi roślin, które nie tworzą brodawek korzeniowych, np. rośliny oleiste. Jedno z badań opartych na patencie [5] skupiło się na ocenie wpływu oczyszczonych czynników Nod na rzepak (Brassica napus L.) uznawany za najważniejszą roślinę oleistą na świecie. Użycie czynników pochodzenia bakteryjnego spowodowało zwiększenie gęstości łodygi, a co za tym idzie większą odporności na wyleganie. Wyniki wykazały także potencjalne zwiększenie odporności na zakażenie oraz ataki owadów. Mechanizm wspomagania tych systemów obronnych opierał się na zwiększeniu ilość pochodnych kwercetyny i pochodnej kempferolu (flawonoidy), która była wyższa w roślinach traktowanych nawozem biologicznym niż w roślinach kontrolnych.

Zastosowanie opatentowanej metody nie jest ograniczone tylko do jednego gatunku roślin. Badania wykazały, że czynniki Nod są skuteczne u różnych roślin uprawnych, takich jak: groch, wyka i kukurydza [1]. Dalsze badania w tej dziedzinie mogą prowadzić do opracowania nowych strategii nawożenia, które wykorzystują właściwości czynników Nod, co przyczyni się do bardziej zrównoważonej i efektywnej produkcji roślinnej, bez konieczności stosowania sztucznych nawozów. To ważny krok w kierunku zrównoważonego rolnictwa, które ma na celu dostarczanie odpowiedniej ilości żywności dla rosnącej populacji przy minimalnym obciążeniu środowiska naturalnego.

Warto zaznaczyć, że przeprowadzone badania nad roślinami in vitro w walce z nowotworami mają potencjalnie istotne znaczenie dla polskiego rynku farmaceutycznego i społecznego.

Ciekawostka

Czy wiesz, że w Polsce grunty zdewastowane i zdegradowane stanowią 2% i co roku rośnie ilość obszarów zrekultywowanych (w 2020r 1476 ha, a w 2021r 2236 ha)? [4]

Bibliogafia

[1] Susniak, K.; Krysa, M.; Kidaj, D.; Szymanska-Chargot, M.; Komaniecka, I.; Zamlynska, K.; Choma, A.; Wielbo, J.; Ilag, L.L.; Sroka-Bartnicka, A. Multimodal Spectroscopic Imaging of Pea Root Nodules to Assess the Nitrogen Fixation in the Presence of Biofertilizer Based on Nod-Factors. Int. J. Mol. Sci. 2021, 22, 12991. https://doi.org/10.3390/ijms222312991

[2] Oldroyd, Giles ED, and J. Allan Downie. „Coordinating nodule morphogenesis with rhizobial infection in legumes.” Annu. Rev. Plant Biol. 59 (2008): 519-546.

[3]. Tanaka, Kiwamu, et al. „Effect of lipo-chitooligosaccharide on early growth of C4 grass seedlings.” Journal of Experimental Botany 66.19 (2015): 5727-5738.

[4] Rocznik Statystyczny Rolnictwa 2022. Główny Urząd Statystyczny. https://stat.gov.pl/obszary-tematyczne/roczniki-statystyczne/roczniki-statystyczne/rocznik-statystyczny-rolnictwa-2022,6,16.html

[5] Krysa, M.; Susniak, K.; Kubas, A.; Kidaj, D.; Sroka-Bartnicka, A. MALDI MSI and Raman Spectroscopy Application in the Analysis of the Structural Components and Flavonoids in Brassica napus Stem. Metabolites 2023, 13, 687. https://doi.org/10.3390/metabo13060687

[6] https://intermag.pl/wynalazki-naukowcow-umcs-znalazly-zastosowanie-w-praktyce/