تثبیت بیولوژیکی نیتروژن راهی پایدار برای کاهش مصرف کودهای نیتروژنی است. گرچه طی دهه‌های گذشته بازدهی محصولات زراعی به‌دلیل استفاده فزاینده از کود نیتروژن به میزان قابل‌توجهی افزایش یافته است، اما تولید کودهای نیتروژنی به انرژی زیادی نیاز دارد که منجر به تأثیرات منفی بر محیط و آب و هوا می‌شود.
دانشمندان به‌دنبال راه‌هایی برای توسعه شیوه‌های پایدار در جهت افزایش بازدهی محصولات زراعی با کاهش ورودی هستند. گری استیسی -پاتولوژیست گیاه از دانشگاه میسوری- می‌گوید: “یک روش پایدار برای تأمین نیتروژن مورد نیاز محصولات زراعی، استفاده از تثبیت بیولوژیکی نیتروژن است. در حال حاضر استفاده از این روش برای رشد حبوبات توسعه‌یافته است. انواع باکتری‌های تثبیت‌کننده نیتروژن در ریزوسفر اکثر گیاهان متداول هستند. چنین باکتری‌هایی که باعث تقویت رشد گیاهان می‌شوند، در کشاورزی تنها به‌عنوان تلقیح‌کننده استفاده محدود دارند.”
استیسی معتقد است که این استفاده محدود به‌دلیل مشکلات کلی مربوط به استفاده بیولوژیکی برای تولید محصولات زراعی و اثربخشی متغیر در هنگام کاربرد است. آن‌ها تحقیقاتی را برای به‌دست آوردن درک بیشتر از پاسخ متابولیک گیاه میزبان به‌منظور کاهش تنوع مشاهده شده با پاسخ محصولات به باکتری‌های تقویت‌کننده رشد گیاهان انجام دادند.
استیسی گفت: “یکی از چالش‌های موجود در تحقیق این است که گرچه باکتری‌های تقویت‌کننده رشد گیاه می‌توانند ریشه‌ها را تا حد زیادی استعمار کنند، اما مکان‌های استعماری بومی‌سازی می‌شوند. بنابراین جداسازی کامل ریشه‌ها منجر به رقیق‌شدن هرگونه سیگنال می‌شود، زیرا اکثر سلول‌های ریشه در تماس با باکتری‌ها نیستند.”
برای غلبه بر این چالش، استیسی و تیمش از طیف‌سنج جرمی یونیزاسیون با لیزر فرسایش (LAESI-MS) استفاده کردند که به آن‌ها این امکان را می‌دهد که فقط قسمت‌هایی از بخش‌های آلوده به باکتری‌ها را نمونه‌برداری کنند.
نتایج آن‌ها نشان داد که استعمار باکتری‌ها منجر به تغییر قابل‌توجه در متابولیسم گیاهان می‌شود، در حالیکه برخی از متابولیت‌ها در گیاهان تلقیح‌شده بسیار بیشتر است. سایر مواد از جمله متابولیت‌های حاوی نیتروژن در ریشه‌های تلقیح شده یا نشده با یک باکتری که قادر به رفع نیتروژن نیست، کاهش یافته است.
استیسی گفت: “جالب توجه است که ترکیبات درگیر در بیوسنتز ایندول-آلکالوئید در ریشه‌های استعمار شده توسط گونه‌های تثبیت‌کننده بسیار زیاد بوده که شاید این بازتابی از پاسخ دفاعی گیاه باشد. در نهایت از طریق چنین تحقیقاتی، ما امیدواریم مکانیسم‌های مولکولی را مشخص کنیم که با تحریک رشد گیاه بتواند قوانین تلقیح مؤثر و مداوم را برای بهبود عملکرد محصول ممکن سازد.”
آزمایشگاه استیسی به تثبیت بیولوژیکی نیتروژن و تعامل گیاه و میکروب علاقه‌مند شده است. از زمان کشف تثبیت بیولوژیکی نیتروژن (BNF)، هدف آزمایشگاه انتقال مزایای تثبیت بیولوژیکی نیتروژن به محصولاتی غیر از حبوبات مانند ذرت بوده است. باکتری‌های تقویت‌کننده رشد گیاه از این توانایی در طبیعت برخوردار هستند؛ اما این میزان به اندازه کافی برای تولید عملی کشاورزی به دست نیامده است.
وی گفت: “ما معتقدیم که برخلاف سایر فعل و انفعالات مورد مطالعه، این به‌دلیل عدم اطلاعات کلی در مورد مکانیسم‌های مولکولی است که توسط آن‌ها باکتری‌های تقویت‌کننده باعث تحریک رشد گیاه می‌شوند. از این رو، ما در پروژه‌های آزمایشگاهی خود برای بهبود این اطلاعات اقدام کرده‌ایم، زیرا چنین اطلاعاتی باعث افزایش کارایی باکتری‌های تقویت‌کننده رشد گیاه و تولید محصولات زراعی می‌شود. “
استیسی و گروهش متوجه شدند که تأثیر قابل‌توجهی در تولید فیتوهورمون که ارتباط مستقیمی با توانایی باکتری‌ها در تقویت رشد گیاه دارد، وجود ندارد. این نشان می‌دهد که به توضیحات پیچیده‌تری برای چگونگی تأثیر این باکتری‌ها بر رشد گیاه وجود دارد.
