Legume Nitrogen Fixation in a Changing Environment: Achievements and Challenges

جمعیت جهان طی چند سال آینده با سرعت بیشتری رشد خواهد کرد. این باید با افزایش موازی در تولیدات کشاورزی همراه باشد تا غذای کافی تامین شود. ملاحظات پایداری ایجاب می کند که جایگزین هایی برای کودهای شیمیایی نیتروژن باید فوراً جستجو شود. تثبیت نیتروژن بیولوژیکی (N2)، یک فرآیند میکروبیولوژیکی که N2 اتمسفر را به شکل قابل استفاده برای گیاه تبدیل می کند، این جایگزین را ارائه می دهد. در میان این منابع تجدیدپذیر، حبوبات تثبیت کننده N2 وسیله ای جذاب اقتصادی و از نظر زیست محیطی مناسب برای کاهش ورودی های خارجی و بهبود منابع داخلی ارائه می دهند. عوامل محیطی مانند خشکی، درجه حرارت بالا، شوری، اسیدیته خاک و افزایش CO2 به طور چشمگیری بر فرآیند همزیستی تأثیر می‌گذارند و بنابراین نقشی در تعیین مقدار واقعی نیتروژن تثبیت شده توسط یک حبوبات معین در مزرعه دارند. درک اینکه چگونه تثبیت ندول N2 به محیط پاسخ می دهد برای بهبود تولید حبوبات و حفظ پایداری در زمینه تغییرات جهانی بسیار مهم است. در این خلاصه جدید متفکرانه و تحریک‌آمیز، ما اطلاعات مهمی در مورد اینکه چگونه تغییرات فعلی و پیش‌بینی‌شده در آینده در محیط بر رشد حبوبات و قابلیت‌های تثبیت N2 همزیست آنها تأثیر می‌گذارد، ارائه می‌کنیم. هر بخش محرک های اصلی تغییرات محیطی در عملکرد حبوبات را بررسی می کند که شامل خشکی، درجه حرارت بالا، شوری و افزایش CO2 و اسیدیته خاک می شود. مهمتر از همه، ما در مورد رویکردهای مولکولی برای تجزیه و تحلیل پاسخ استرس در حبوبات و استراتژی های بیوتکنولوژیکی ممکن برای غلبه بر اثرات مضر آنها بحث می کنیم.

The world population will grow more rapidly during the few coming years. This must be accompanied by a parallel increase in the agricultural production to secure adequate food. Sustainability considerations mandate that alternatives to chemical nitrogen fertilizers must be urgently sought. Biological nitrogen (N2) fixation, a microbiological process which converts atmospheric N2 into a plant-usable form, offers this alternative. Among these renewable sources, N2-fixing legumes offer an economically attractive and ecologically sound means of reducing external inputs and improving internal resources. Environmental factors such as drought, elevated temperature, salinity, soil acidity and rising CO2 are known to dramatically affect the symbiotic process and thus play a part in determining the actual amount of nitrogen fixed by a given legume in the field. Understanding how nodule N2 fixation responds to the environment is crucial for improving legume production and maintaining sustainability in the context of global change. In this thoughtful and provocative new Brief, we provide critical information on how current and projected future changes in the environment will affect legume growth and their symbiotic N2 fixing capabilities. Each section reviews the main drivers of environmental change on the legume performance that include drought, elevated temperature, salinity and rising CO2, and soil acidity. Importantly we discuss the molecular approaches to the analysis of the stress response in legumes and the possible biotechnological strategies to overcome their detrimental effects.