Negli anni '80, Howard-Yana Shapiro, ora direttore dell'agricoltura presso Mars, Incorporated, era alla ricerca di nuovi tipi di mais. Era nel distretto di Mixes di Oaxaca, nel sud del Messico, l'area in cui i precursori del mais (aka mais) si sono evoluti per la prima volta, quando ha individuato alcuni dei più strani mais mai visti. Non solo era alto da 16 a 20 piedi, minando la roba da 12 piedi nei campi americani, ci sono voluti dai sei agli otto mesi per maturare, molto più lunghi dei 3 mesi necessari per il mais convenzionale. Eppure è cresciuto fino a quelle altezze impressionanti in quello che può essere caritamente chiamato terreno povero, senza l'uso di fertilizzanti .. Ma la parte più strana del mais era le sue radici aeree - sporgenze verdi e rosate, simili a dita che sporgevano dal gambo di mais, gocciolante con un gel trasparente e sciropposo.
Shapiro sospettava che quelle mucose dita potessero essere il Santo Graal dell'agricoltura. Credeva che le radici consentissero a questa straordinaria varietà di mais, soprannominata Sierra Mixe e allevata localmente per centinaia o addirittura migliaia di anni, di produrre il proprio azoto, un nutriente essenziale per le colture che di solito viene applicato come fertilizzante in quantità epiche.
L'idea sembrava promettente, ma senza gli strumenti del DNA per esaminare i dettagli di come il mais produceva azoto, la scoperta è stata accantonata. Quasi due decenni dopo, nel 2005, Alan B. Bennett dell'Università della California, Davis, insieme a Shapiro e altri ricercatori, ha iniziato a utilizzare una tecnologia all'avanguardia per esaminare le proprietà di fissaggio dell'azoto del mais flemmatico, scoprendo che in effetti, i batteri che vivono nel muco stavano estraendo azoto dall'aria, trasformandolo in una forma che il mais poteva assorbire.
Ora, dopo oltre un decennio di ricerche sul campo e analisi genetiche, il team ha pubblicato il loro lavoro sulla rivista PLOS Biology. Se la caratteristica di fissaggio dell'azoto potesse essere introdotta nel mais convenzionale, permettendogli di produrre anche una parte del proprio azoto, potrebbe ridurre il costo dell'agricoltura, ridurre le emissioni di gas serra e arrestare uno dei principali inquinanti in laghi, fiumi e oceano. In altre parole, potrebbe portare a una seconda rivoluzione dell'azoto.
La produzione sintetica di azoto può essere il più grande risultato del 20 ° secolo. La scoperta del processo Haber-Bosch e dei suoi perfezionamenti, in cui l'azoto viene espulso dall'aria ad alto calore e pressione in presenza di un catalizzatore, ha portato a tre premi Nobel separati. E sono meritati. Si stima che la resa delle colture sia più che raddoppiata tra il 1908 e il 2008, con fertilizzante azotato sintetico responsabile fino a metà di quella crescita. Alcuni ricercatori hanno legato l'enorme crescita della popolazione umana negli ultimi settant'anni all'aumento dell'uso di fertilizzanti azotati. Senza di essa, dovremmo coltivare quasi quattro volte più terra o avere miliardi di persone in meno nel mondo.
Ma produrre tutto quell'azoto ha conseguenze. Si stima che la produzione di fertilizzanti attraverso il processo Haber-Bosch utilizzi tra l'1 e il 2 percento dell'energia mondiale, emettendo molti gas serra. E l'azoto sintetico lava regolarmente i campi nei corsi d'acqua, portando a enormi fioriture di alghe che succhiano tutto l'ossigeno, uccidendo pesci e altri organismi. Tanto azoto entra nei fiumi e nei torrenti che grandi zone morte si sono sviluppate alla foce dei fiumi del mondo, tra cui uno nel Golfo del Messico che l'anno scorso aveva le dimensioni del New Jersey. Mark Sutton del UK Centre for Ecology and Hydrology definisce l'azoto "il Padrino dell'inquinamento", i cui effetti sono ovunque, ma non si vede mai realmente il colpevole.
I ricercatori hanno persino trapiantato il mais a Madison, nel Wisconsin, scoprendo che era ancora in grado di estrarre il proprio azoto dal suo ambiente nativo. (Foto: Jean-Michel Ané) Ma non possiamo semplicemente abbandonare l'azoto senza vedere importanti riduzioni in agricoltura. Mentre una migliore gestione e pratiche agricole possono aiutare a tenerlo lontano dai corsi d'acqua, queste strategie non sono sufficienti per risolvere i problemi ecologici dell'azoto. Ecco perché i ricercatori si sono chiesti da decenni se ci fosse un modo per aiutare le colture di cereali come mais e grano a produrre il proprio azoto.
L'idea non è così inverosimile come sembra. Molte piante, in particolare legumi come soia, arachidi e trifoglio, hanno una relazione simbiotica con i batteri Rhizobium, che producono azoto per loro. Le piante coltivano noduli radicali dove i batteri si stabiliscono e sorseggiano zuccheri vegetali mentre convertono l'azoto nell'aria in una forma che le piante possono usare. Se si potesse trovare una relazione simbiotica simile che funziona nelle colture di cereali come mais e grano, i ricercatori ritengono che potremmo ridurre il nostro uso dell'inquinante.
Ecco perché il mais muco è così importante e perché Bennett e il suo team hanno trascorso otto anni a studiare e ri-studiare i batteri e il gel per convincersi che il mais fosse effettivamente in grado di produrre il proprio azoto. Usando il sequenziamento del DNA, sono stati in grado di mostrare i microbi presenti nella melma trasportati dai geni per il fissaggio dell'azoto e hanno dimostrato il gel che il mais escreta, che è ricco di zuccheri e basso ossigeno, è perfettamente progettato per incoraggiare la fissazione dell'azoto. Usando cinque diversi test hanno dimostrato che l'azoto prodotto dai microbi si è poi fatto strada nel mais, fornendo dal 30 all'80% delle esigenze della pianta. Hanno quindi prodotto una versione sintetica della melma e la hanno seminata con i microbi, scoprendo che producevano azoto anche in quell'ambiente. Hanno persino coltivato la Sierra Mixe a Davis, in California, e Madison, nel Wisconsin, dimostrando che poteva eseguire il suo trucco speciale fuori dal suo territorio in Messico.
"Questo meccanismo è totalmente diverso da quello che usano i legumi", afferma Bennett, aggiungendo che potrebbe esistere anche in altre colture. “È certamente ipotizzabile che esistano tipi simili di sistemi in molti cereali. Il sorgo, ad esempio, ha radici aeree e mucillagini. Forse altri hanno meccanismi più sottili che si verificano sottoterra che potrebbero esistere più ampiamente. Ora che ne siamo consapevoli, possiamo cercarli. "
Il coautore Jean Michel-Ane dell'Università del Wisconsin, Madison, concorda sul fatto che questa scoperta apre ogni tipo di nuova possibilità. “Progettare mais per riparare l'azoto e formare noduli di radice come i legumi è da decenni un sogno e una lotta degli scienziati. Si scopre che questo mais ha sviluppato un modo completamente diverso per risolvere questo problema di fissazione dell'azoto. La comunità scientifica probabilmente ha sottovalutato la fissazione dell'azoto in altre colture a causa della sua ossessione per i noduli di radice ", afferma in una nota. "Questo mais ci ha mostrato che la natura può trovare soluzioni ad alcuni problemi ben oltre ciò che gli scienziati potrebbero mai immaginare."
Si scopre che la natura ha ancora più trucchi che producono azoto nella manica su cui i ricercatori si stanno appena avvicinando. Ci sono molti altri progetti in corso volti a ottenere coltivazioni di cereali e ortaggi per fare il Boschetto di Haber per noi. Uno dei più promettenti è l'uso di endofiti o microrganismi come batteri e funghi che vivono negli spazi intercellulari delle piante. La ricercatrice dell'Università di Washington Sharon Doty si è interessata agli organismi un paio di decenni fa. Stava studiando salici e pioppi, che sono tra i primi alberi a crescere su terreni disturbati dopo eventi come un'eruzione vulcanica, inondazioni o caduta di massi. Questi alberi stavano crescendo dalla ghiaia del fiume, quasi senza accesso all'azoto nel terreno. All'interno dei loro steli, tuttavia, Doty ha trovato endofiti che fissavano l'azoto per gli alberi, senza bisogno di noduli di radice. Da allora, ha preso in giro dozzine di vari ceppi di endofiti, molti dei quali aiutano le piante in modi sorprendenti. Alcuni producono azoto o fosforo, un altro nutriente importante, mentre altri migliorano la crescita delle radici e alcuni consentono alle piante di sopravvivere in condizioni di siccità o alto contenuto di sale.
"Ci sono un sacco di microbi diversi che possono riparare l'azoto e una vasta gamma di specie vegetali colpite da loro", dice. I suoi test hanno dimostrato che i microbi possono raddoppiare la produttività delle piante di pepe e pomodoro, migliorare la crescita del riso e impartire tolleranza alla siccità agli alberi come gli abeti Douglas. Alcuni consentono persino agli alberi e alle piante di aspirare e abbattere i contaminanti industriali e ora vengono utilizzati per ripulire i siti di Superfund. "Il vantaggio dell'utilizzo degli endofiti è che è un gruppo davvero numeroso. Abbiamo trovato varietà che funzionano con riso, mais, pomodori, peperoni e altre piante coltivate importanti dal punto di vista agricolo. "
In effetti, gli endofiti potrebbero arrivare nelle mani degli agricoltori prima piuttosto che dopo. IntrinsyxBio, con sede a Los Altos, in California, sta commercializzando alcuni degli endofiti di Doty. Il Chief Science Officer John L. Freeman afferma in un'intervista che la società è sulla buona strada per avere un prodotto pronto per il mercato nel 2019. L'obiettivo è quello di fornire diversi ceppi di endofiti nelle piante, molto probabilmente rivestendo i semi. Dopo che i batteri hanno preso dimora all'interno della pianta, dovrebbero pompare circa il 25 percento dell'azoto di cui ha bisogno.
Un'altra società biotecnologica, chiamata Pivot Bio, ha recentemente annunciato che sta testando beta una soluzione simile, usando microbi che fissano l'azoto che crescono nei sistemi radicali del mais.
Anche il nuovo campo emergente della biologia sintetica si sta rompendo il problema dell'azoto. Joyn Bio, con sede a Boston, fondata lo scorso settembre, è un co-progetto tra Bayer e Ginkgo Bioworks, un'azienda biotecnologica con esperienza nella creazione di lieviti e batteri personalizzati per l'industria alimentare e degli aromi, tra gli altri progetti di "microbi di design". Joyn sta attualmente esaminando la libreria di Bayer di oltre 100.000 microbi per trovare un ospite in grado di colonizzare con successo piante, simili agli endofiti di Doty. Quindi sperano di modificare quel "telaio host" con geni che gli consentiranno di riparare l'azoto. "Piuttosto che fare affidamento sulla natura e trovare un microbo magico, che non pensiamo esista, vogliamo trovare il nostro microbo ospite e perfezionarlo per fare ciò di cui abbiamo bisogno per il mais o il grano", afferma Michael Miille, CEO di Joyn .
Anche la Gates Foundation è in gioco, a sostegno di progetti che tentano di conferire ai cereali le capacità di fissaggio dell'azoto dei legumi. Altri team sperano che l'avvento del calcolo quantico sovralimentato aprirà nuovi regni di chimica e identificherà nuovi catalizzatori che renderanno il processo Haber-Bosch molto più efficiente.
Sebbene sia improbabile che una sola soluzione sia in grado di sostituire il 100 percento del fertilizzante sintetico che gli esseri umani usano, forse insieme questi progetti potrebbero creare un grave danno all'inquinamento da azoto. Bennett spera che Sierra Mixe e ciò che il suo team ha appreso da esso faranno parte della rivoluzione dell'azoto, anche se ammette che è un salto molto lungo prima che le sue viscide dita di mais inizino a produrre azoto nelle colture convenzionali. Ora vuole identificare i geni che producono le radici aeree e individuare quali delle migliaia di microbi scoperti nella mucillagine stanno effettivamente riparando l'azoto.
"Penso che ciò che stiamo facendo potrebbe essere complementare a quegli approcci [endoyphte e biologia sintetica]", dice. "Penso che vedremo molte strategie divergenti e tra 5 a 10 anni emergerà qualcosa che influisce sul modo in cui il mais ottiene azoto."
Nota del redattore 15/8/18: una precedente bozza di questo articolo aveva scritto erroneamente il nome di John L. Freeman e aveva identificato erroneamente la sua attuale compagnia.
