द कॉर्न ऑफ़ द फ्यूचर इज़ हज़ारों इयर्स ओल्ड एंड माक्स इट्स ओन म्यूकस

1980 के दशक में, हॉवर्ड-याना शापिरो, अब मंगल, निगमित, मुख्य कृषि अधिकारी नए प्रकार के मकई की तलाश कर रहे थे। वह दक्षिणी मैक्सिको में ओक्साका के मिक्स जिले में था, वह क्षेत्र जहां मक्का (उर्फ मकई) के अग्रदूत पहली बार विकसित हुए, जब उन्होंने देखा कि कुछ सबसे अजीब मक्का स्थित हैं। न केवल यह 16 से 20 फीट लंबा था, अमेरिकी क्षेत्रों में 12 फुट के सामान को बौना करते हुए, इसे परिपक्व होने में छह से आठ महीने लगते थे, पारंपरिक मकई के लिए आवश्यक 3 महीने से अधिक। फिर भी यह उन प्रभावशाली ऊंचाइयों तक बढ़ गया, जिनमें खाद के इस्तेमाल के बिना चैरिटी को खराब मिट्टी कहा जा सकता है .. लेकिन मकई का सबसे अजीब हिस्सा इसकी हवाई जड़ें थीं - हरे और गुलाब के रंग की, उंगली जैसी प्रोट्रूशियन्स चिपकी हुई मकई के डंठल, एक स्पष्ट, सिरप जेल के साथ टपकाव।

शापिरो को संदेह था कि उन श्लेष्म उंगलियों कृषि के पवित्र कंघी बनानेवाले की रेती हो सकता है। उनका मानना ​​था कि जड़ों ने इस अनूठी किस्म को मकई, डब किया हुआ सिएरा मिक्स और स्थानीय स्तर पर सैकड़ों या हजारों वर्षों में नस्ल करने की अनुमति दी, अपने स्वयं के नाइट्रोजन का उत्पादन करने के लिए, फसलों के लिए एक आवश्यक पोषक तत्व जो आमतौर पर महाकाव्य मात्रा में उर्वरक के रूप में लागू होता है।

विचार आशाजनक लग रहा था, लेकिन डीएनए उपकरणों के बिना यह बताने के लिए कि मकई नाइट्रोजन कैसे बना रहा था, की बारीकियों को देखा। लगभग दो दशक बाद, 2005 में, कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय के एलन बी बेनेट, डेविस-के साथ-साथ शापिरो और अन्य शोधकर्ता-ने फली कॉर्न के नाइट्रोजन-फिक्सिंग गुणों को देखने के लिए अत्याधुनिक तकनीक का उपयोग करना शुरू कर दिया, जिससे वास्तव में, बलगम में रहने वाले बैक्टीरिया हवा से नाइट्रोजन खींच रहे थे, इसे मकई अवशोषित कर सकते थे।

अब, एक दशक से अधिक क्षेत्र अनुसंधान और आनुवंशिक विश्लेषण के बाद, टीम ने पीएलओएस जीवविज्ञान जर्नल में अपना काम प्रकाशित किया है। यदि नाइट्रोजन-फिक्सिंग विशेषता को पारंपरिक मकई में उगाया जा सकता है, तो यह अपने स्वयं के नाइट्रोजन के एक हिस्से का उत्पादन करने की अनुमति देता है, यह खेती की लागत को कम कर सकता है, ग्रीनहाउस गैस उत्सर्जन को कम कर सकता है और झीलों, नदियों और नदियों में प्रमुख प्रदूषकों में से एक को रोक सकता है। सागर। दूसरे शब्दों में, यह एक दूसरी नाइट्रोजन क्रांति का कारण बन सकता है।

नाइट्रोजन का सिंथेटिक उत्पादन 20 वीं सदी की सबसे बड़ी उपलब्धि हो सकती है। हैबर-बॉश प्रक्रिया की खोज और इसके शोधन, जिसमें नाइट्रोजन को उच्च गर्मी और एक उत्प्रेरक की उपस्थिति में दबाव के तहत हवा से बाहर निकाल दिया जाता है, ने तीन अलग-अलग नोबेल पुरस्कार दिए हैं। और वे अच्छी तरह से लायक हैं। यह अनुमान लगाया जाता है कि 1908 और 2008 के बीच फसल की पैदावार दोगुनी से अधिक हो जाती है, जिसमें सिंथेटिक नाइट्रोजन उर्वरक होता है जो उस वृद्धि का आधा हिस्सा होता है। कुछ शोधकर्ताओं ने पिछले सत्तर वर्षों में नाइट्रोजन उर्वरक के बढ़ते उपयोग से मानव आबादी में भारी वृद्धि को बांधा है। इसके बिना, हमें लगभग चार गुना अधिक भूमि पर खेती करनी होगी या दुनिया में कम लोगों के अरबों होंगे।

लेकिन नाइट्रोजन के उत्पादन के सभी परिणाम हैं। यह अनुमान है कि हैबर-बॉश प्रक्रिया के माध्यम से उर्वरक बनाने से दुनिया की 1 से 2 प्रतिशत ऊर्जा का उपयोग होता है, जो बहुत सारे ग्रीनहाउस गैसों का उत्सर्जन करता है। और सिंथेटिक नाइट्रोजन नियमित रूप से जलमार्गों में खेतों को धोता है, जिससे बड़े पैमाने पर शैवाल खिलता है जो सभी ऑक्सीजन को चूसता है, मछली और अन्य जीवों को मारता है। इतना नाइट्रोजन नदियों और नालों में चला जाता है कि दुनिया की नदियों के मुहाने पर बड़े-बड़े मृत क्षेत्र विकसित हो गए हैं, जिसमें मेक्सिको की खाड़ी में एक भी शामिल है जो पिछले साल न्यू जर्सी के आकार का था। यूके सेंटर फॉर इकोलॉजी एंड हाइड्रोलॉजी के मार्क सटन ने नाइट्रोजन को "प्रदूषण का गॉडफादर" कहा - यह प्रभाव हर जगह है, लेकिन आप वास्तव में अपराधी को कभी नहीं देखते हैं।

शोधकर्ताओं ने मकई को मैडिसन, विस्कॉन्सिन में भी प्रत्यारोपित किया, जिसमें पाया गया कि यह अभी भी अपने मूल पर्यावरण से अपना नाइट्रोजन बनाने में सक्षम है। (फोटो: जीन-मिशेल एएन)

लेकिन हम कृषि में बड़ी कमी देखे बिना सिर्फ नाइट्रोजन नहीं छोड़ सकते। हालांकि बेहतर प्रबंधन और खेती के तरीके इसे जलमार्ग से बाहर रखने में मदद कर सकते हैं, लेकिन वे रणनीतियाँ नाइट्रोजन की पारिस्थितिक समस्याओं को ठीक करने के लिए पर्याप्त नहीं हैं। यही कारण है कि शोधकर्ताओं ने दशकों तक सोचा कि अगर मकई और गेहूं जैसी अनाज फसलों को अपने स्वयं के नाइट्रोजन का उत्पादन करने में मदद करने का एक तरीका था।

विचार उतना दूर नहीं है जितना लगता है। पौधों के बहुत सारे, विशेष रूप से सोयाबीन, मूंगफली और तिपतिया घास जैसे फलियों में, राइजोबियम बैक्टीरिया के साथ सहजीवी संबंध होते हैं, जो उनके लिए नाइट्रोजन का उत्पादन करते हैं। पौधे जड़ नोड्यूल्स उगाते हैं जहां बैक्टीरिया निवास करते हैं और पौधों की शक्कर पर नाइट्रोजन घोलते हैं और नाइट्रोजन को हवा में परिवर्तित कर देते हैं। यदि एक समान सहजीवी संबंध पाया जा सकता है जो मकई और गेहूं जैसी अनाज की फसलों में काम करता है, शोधकर्ताओं का मानना ​​है कि हम प्रदूषक के हमारे उपयोग को कम कर सकते हैं।

यही कारण है कि बलगम मकई इतना महत्वपूर्ण है, और बेनेट और उनकी टीम ने बैक्टीरिया और जेल का अध्ययन करने और खुद को समझाने के लिए आठ साल बिताए कि मकई वास्तव में अपना नाइट्रोजन पैदा करने में सक्षम था। डीएनए अनुक्रमण का उपयोग करते हुए, वे नाइट्रोजन को ठीक करने के लिए किए गए कीचड़ में जीन को रोगाणुओं को दिखाने में सक्षम थे और जेल को मकई के उत्सर्जन का प्रदर्शन किया, जो उच्च चीनी और कम ऑक्सीजन है, पूरी तरह से नाइट्रोजन निर्धारण को प्रोत्साहित करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। पांच अलग-अलग परीक्षणों का उपयोग करके उन्होंने दिखाया कि रोगाणुओं द्वारा उत्पादित नाइट्रोजन ने मकई में अपना रास्ता बना लिया, जिससे पौधे की जरूरतों का 30 से 80 प्रतिशत तक उपलब्ध हो गया। फिर उन्होंने कीचड़ का एक सिंथेटिक संस्करण तैयार किया और इसे रोगाणुओं के साथ उतारा, जिससे पता चला कि उन्होंने उस वातावरण में भी नाइट्रोजन का उत्पादन किया है। उन्होंने डेविस, कैलिफ़ोर्निया और मैडिसन, विस्कॉन्सिन में सिएरा मिक्स को भी दिखाया, यह दिखाते हुए कि यह मैक्सिको में अपने घर के बाहर अपनी विशेष चाल का प्रदर्शन कर सकता है।

"यह तंत्र पूरी तरह से अलग है कि फलियां क्या उपयोग करती हैं, " बेनेट कहते हैं, यह जोड़ना अन्य फसलों में भी मौजूद हो सकता है। “यह निश्चित रूप से बोधगम्य है कि कई प्रकार के अनाज में इसी प्रकार के सिस्टम मौजूद हैं। उदाहरण के लिए, सोरघम में हवाई जड़ें और श्लेष्म हैं। हो सकता है कि दूसरों के पास अधिक सूक्ष्म तंत्र हों जो भूमिगत हों जो अधिक व्यापक रूप से मौजूद हो सकते हैं। अब जब हम जागरूक हैं, हम उनकी तलाश कर सकते हैं। ”

विस्कॉन्सिन विश्वविद्यालय, मैडिसन के सह-लेखक जीन मिशेल-एने इस बात से सहमत हैं कि यह खोज सभी प्रकार की नई संभावनाओं को खोलती है। "इंजीनियरिंग कॉर्न नाइट्रोजन को ठीक करने और रूट नोड्स बनाने के लिए जैसे फलियां दशकों से वैज्ञानिकों का एक सपना और संघर्ष रहा है। यह पता चला है कि इस मकई ने इस नाइट्रोजन निर्धारण समस्या को हल करने के लिए एक पूरी तरह से अलग तरीका विकसित किया। वैज्ञानिक समुदाय ने संभवतः रूट नोड्स के साथ जुनून के कारण अन्य फसलों में नाइट्रोजन निर्धारण को कम करके आंका है, “वह एक बयान में कहते हैं। "इस मकई ने हमें दिखाया कि प्रकृति कुछ समस्याओं के समाधान ढूंढ सकती है, जो वैज्ञानिकों द्वारा कभी भी कल्पना की जा सकती हैं।"

यह पता चला है कि प्रकृति के पास अपनी आस्तीन तक नाइट्रोजन-उत्पादक चालें भी हैं जो शोधकर्ताओं को अभी संभाल रही हैं। हमारे लिए हैबर-बॉशिंग करने के लिए अनाज और सब्जी की फ़सल प्राप्त करने के उद्देश्य से कई अन्य परियोजनाएँ चल रही हैं। सबसे आशाजनक में से एक है एंडोफाइट्स, या बैक्टीरिया और कवक जैसे सूक्ष्मजीवों का उपयोग जो पौधों के अंतरकोशिकीय स्थानों में रहते हैं। वाशिंगटन विश्वविद्यालय के शोधकर्ता शेरोन डोटी को कुछ दशक पहले जीवों में दिलचस्पी हुई। वह विलो और चिनार के पेड़ों का अध्ययन कर रही थी, जो ज्वालामुखी विस्फोट, बाढ़ या पत्थरबाज़ी जैसी घटनाओं के बाद अशांत भूमि पर उगने वाले पहले पेड़ों में से हैं। ये पेड़ नदी की बजरी से बाहर निकल रहे थे, मिट्टी में नाइट्रोजन की शायद ही कोई पहुंच हो। हालांकि, उनके तनों के अंदर, डॉटी ने एंडोफाइट पाया, जो पेड़ों के लिए नाइट्रोजन तय करता था, कोई रूट नोड्यूल आवश्यक नहीं था। तब से, उसने दर्जनों विभिन्न एंडोफाइट उपभेदों को छेड़ा है, जिनमें से कई पौधों को आश्चर्यजनक तरीके से मदद करते हैं। कुछ नाइट्रोजन या फास्फोरस का उत्पादन करते हैं, एक अन्य महत्वपूर्ण पोषक तत्व, जबकि अन्य जड़ विकास में सुधार करते हैं और कुछ पौधों को सूखे या उच्च नमक की स्थिति में जीवित रहने की अनुमति देते हैं।

"वहाँ हैं] अलग-अलग रोगाणुओं की एक पूरी नींद जो नाइट्रोजन को ठीक कर सकती है और पौधों की एक विस्तृत श्रृंखला उनके द्वारा प्रभावित होती है, " वह कहती हैं। उसके परीक्षणों से पता चला है कि रोगाणु काली मिर्च और टमाटर के पौधों की उत्पादकता को दोगुना कर सकते हैं, चावल में वृद्धि में सुधार कर सकते हैं और डगलस फ़िर जैसे पेड़ों को सूखा सहिष्णुता प्रदान कर सकते हैं। कुछ लोग पेड़-पौधों को चूसने और औद्योगिक दूषित पदार्थों को तोड़ने की अनुमति देते हैं और अब सुपरफंड साइटों को साफ करने के लिए उपयोग किया जा रहा है। “एंडोफाइट्स का उपयोग करने का लाभ यह है कि यह वास्तव में एक बड़ा समूह है। हमने चावल, मक्का, टमाटर, मिर्च और अन्य महत्वपूर्ण रूप से महत्वपूर्ण फसल पौधों के साथ काम करने वाले उपभेद पाए हैं। "

वास्तव में, एंडोफाइट्स बाद में के बजाय जल्द ही किसानों के हाथों में आ सकते हैं। लॉस अल्टोस, कैलिफ़ोर्निया स्थित इंट्रीसिंक्सबायो डोटी के एंडोफाइट्स में से कुछ का व्यवसायीकरण कर रहा है। मुख्य विज्ञान अधिकारी जॉन एल। फ्रीमैन एक साक्षात्कार में कहते हैं कि कंपनी 2019 में बाजार के लिए एक उत्पाद तैयार करने के लिए ट्रैक पर है। लक्ष्य एंडोफाइट्स के कई उपभेदों को पौधों में वितरित करना है, सबसे अधिक संभावना है कि बीज को कोटिंग करके। उन जीवाणुओं के पौधे के अंदर रहने के बाद, उन्हें लगभग 25 प्रतिशत नाइट्रोजन की जरूरत होती है।

एक अन्य बायोटेक कंपनी, जिसे पिवोट बायो कहा जाता है, ने हाल ही में घोषणा की कि यह नाइट्रोजन के फिक्सिंग रोगाणुओं का उपयोग करके एक समान समाधान का परीक्षण कर रहा है, जो मकई की जड़ प्रणालियों में विकसित होते हैं।

सिंथेटिक बायोलॉजी का नया उभरता हुआ क्षेत्र भी नाइट्रोजन की समस्या का सामना कर रहा है। बोस्टन स्थित जॉय बायो, पिछले सितंबर में, बायर और जिन्को बॉयोर्क्स के बीच एक सह-परियोजना है, जो एक बायोटेक कंपनी है जिसमें भोजन और स्वाद उद्योग के लिए कस्टम खमीर और बैक्टीरिया बनाने का अनुभव है, अन्य "डिजाइनर माइक्रोब" परियोजनाओं के बीच। जॉय वर्तमान में 100, 000 से अधिक माइक्रोब के बायर पुस्तकालय के माध्यम से कंघी कर रहा है, एक मेजबान को खोजने के लिए जो डॉटी के एंडोफाइट्स के समान सफलतापूर्वक पौधों का उपनिवेश कर सकता है। फिर उन्हें उस "होस्ट चेसिस" को जीन से जोड़ने की उम्मीद है जो इसे नाइट्रोजन को ठीक करने की अनुमति देगा। जॉयन के सीईओ माइकल मिइल कहते हैं, "प्रकृति पर भरोसा करने के बजाय और एक जादू सूक्ष्म जीव को ढूंढें, जिसके बारे में हमें नहीं लगता कि हम अपने मेजबान माइक्रोब को ढूंढना चाहते हैं और इसे मकई या गेहूं के लिए इसे बनाने की जरूरत है।" ।

गेट्स फाउंडेशन भी इस खेल में है, जो अनाज में नाइट्रोजन-फिक्सिंग क्षमताओं को अनाज में लगाने की कोशिश कर रही परियोजनाओं का समर्थन कर रहा है। अभी भी अन्य टीमें उम्मीद कर रही हैं कि सुपरचार्ज्ड क्वांटम कंप्यूटिंग के आगमन से रसायन विज्ञान के नए क्षेत्र खुलेंगे और नए उत्प्रेरक की पहचान होगी जो हैबर-बॉश प्रक्रिया को और अधिक कुशल बनाएंगे।

हालांकि यह संभावना नहीं है कि अकेले एक समाधान 100 प्रतिशत मानव द्वारा उपयोग किए जाने वाले उर्वरक का प्रतिस्थापन करने में सक्षम होगा, शायद ये परियोजनाएं नाइट्रोजन प्रदूषण में एक गंभीर सेंध लगा सकती हैं। बेनेट को उम्मीद है कि सिएरा मिक्स और उनकी टीम ने इससे जो सीखा है, वह नाइट्रोजन क्रांति का हिस्सा होगा, हालांकि उन्होंने स्वीकार किया कि पारंपरिक फसलों में नाइट्रोजन का उत्पादन शुरू करने से पहले यह बहुत लंबी छलांग है। वह अब उन जीनों की पहचान करना चाहता है जो हवाई जड़ों का उत्पादन करते हैं और म्युकिलज में खोजे गए हजारों सूक्ष्म जीवाणुओं में से वास्तव में नाइट्रोजन को ठीक करते हैं।

"मुझे लगता है कि हम जो कर रहे हैं, वह उन [एंडोर्फ और सिंथेटिक जीवविज्ञान] दृष्टिकोणों का पूरक हो सकता है, " वे कहते हैं। "मुझे लगता है कि हम कई अलग-अलग रणनीतियों को देखेंगे, और 5 से 10 वर्षों में कुछ ऐसा सामने आएगा जो बताता है कि मकई नाइट्रोजन कैसे प्राप्त करता है।"

संपादक के नोट 8/15/18: इस लेख के एक पुराने मसौदे में जॉन एल। फ्रीमैन के नाम को गलत बताया गया और उनकी वर्तमान कंपनी को गलत बताया गया।