I både naturliga ekosystem och jordbruksmark är tillgängligheten på kväve avgörande för växters tillväxt. Dagens jordbruksproduktion är därför till stor del beroende av kvävegödsel, vilket ofta leder till kväveläckage och förluster till omgivande miljöer. Detta är stort globalt problem, som är både miljömässigt och ekonomiskt kostsamt. För att kunna maximera tillväxten men samtidigt minimera läckaget är det viktigt med kunskap om växters förmåga att ta upp kväve.
Enligt många läroböcker anses de oorganiska kväveformerna nitrat och ammonium vara de två kväveföreningar som växter tar upp i rötterna och använder för sin tillväxt. Forskning visar dock att växters upptag av olika kväveformer är betydligt mer komplext och innefattar också kväve i organisk form. Till exempel verkar rötters förmåga att ta upp organiskt kväve i form av aminosyror vara vanligt förekommande bland olika växtarter. Förutom aminosyror har ny forskning visat att växter också kan ta upp organiskt kväve i form av peptider och små proteiner.
Det är högst troligt att förekomsten av organiskt kväve är olika i olika ekosystem eller olika odlingssystem. Organiskt kväve som finns i marken kommer framför allt från dött organiskt material såsom växter och djur. Förenklat kan man säga att det organiska kvävet successivt bryts ner till mindre och mindre molekyler för att slutligen förekomma i form av nitrat och ammonium. I sockerrörsodlingar i Australien lämnas alla blad från sockerrörsplantorna kvar på marken efter skörden. På grund av detta är koncentrationen av organiskt kväve i dessa jordar extremt höga. I Sverige gödslar vi med olika organiska gödsel, som till exempel stallgödsel. Det är en stor kvävekälla som skulle vara intressant att studera i framtiden.
Proteiner och peptider
Att kvantifiera förekomsten av proteiner och peptider i markvätskan utgör en kunskapslucka inom detta forskningsområde som tidigare inte har varit möjlig att fylla; idag finns metoder för att analysera dessa föreningar i markvätskan. Peptidernas och proteinernas identitet och koncentration kommer att bestämmas med hjälp av metoder som vanligtvis används inom proteomik – läran om proteiner i olika organismers celler (genom gelektrofores och vätskekromatorgrafi/masspektrometri). Markvätska kommer att samlas från olika ekosystem i Australien. När vi analyserat markvätskans sammansättning med avseende på komplexa kväveföreningar, följer ett arbete där vi bestämmer i vilken grad dessa föreningar utgör kvävekällor för olika växtarter.
Projektet är ett samarbete med professor Susanne Schmidt, University of Queensland, Brisbane, Australien. Medlen från Formas gör att jag kan vara anställd som postdoktor vid min heminstitution Skogens ekologi och skötsel vid Sveriges lantbruksuniversitet (SLU), Umeå också under vistelsen i Australien. Utvecklingen av metoden för att identifiera peptider och proteiner kommer att ske i samarbete med professor Schmidts forskningsgrupp i Australien.
Sockerrör skördas. I ett fältförsök i Australien lämnas blad från sockerrören kvar på marken efter skörden. Koncentrationen av organiskt kväve är därför mycket hög i jorden. Foto: The University of Queensland, Sugarcane research team
Naturlig tillgång utmanas
Först och främst handlar detta projekt om att kvantifiera vilken naturlig tillgång som växter har av proteiner och peptider i marken, vad som egentligen händer i jordens hemliga mörker.
Det handlar också om att mäta växters upptag under naturliga förhållanden av de föreningar som förekommer i fält. För att utvärdera den ekologiska betydelsen av proteiner och peptid som kvävekällor för växter är det viktigt att upptaget mäts vid de koncentrationer som föreningarna har i fält.
Därefter ska det bli intressant att se om växternas kapacitet att ta upp dessa föreningar går att utmana, till exempel genom gödsling. Idén om att använda organiskt kväve som kvävegödsel till växter är inte helt långsökt. Det finns ett handelsgödsel baserat på basiska aminosyror på marknaden som har visat tydlig minskning av kväveläckage. Att gödsla med organiskt kväve på grödor som har god förmåga att absorbera sådana kväveformer skulle kunna fördröja produktionen av nitrat som annars lätt förloras till omgivande miljöer genom läckage. I ett längre perspektiv skulle denna kunskap kunna användas för att skräddarsy sammansättningen av gödsel så att den motsvarar växters kväveupptagsförmåga. Därmed skulle kväveförlusterna kunna minskas och kväveeffektiviteten ökas.
Förutom de direkta studierna av växters upptag av organiskt kväve är det också intressant att undersöka hur närvaron av organiskt kväve i marken påverkar växters upptag av oorganiskt kväve som nitrat och ammonium. Framtida precisionsodling baseras på kunskap om sådana processer i växter och i marken. Förutom det så baseras modellering av kvävets kretslopp på att växters upptag av kväve är korrekt. Detta projekt är därför också betydelsefullt för att utveckla mer korrekta modeller för att bestämma kvävets omsättning i mark- och växtsystem.
Författare
:
Sandra Jämtgård
är postdoktor vid institutionen för skogens ekologi och skötsel, Sveriges lantbruksuniversitet, Umeå.
Litteratur:
Jämtgård S, Näsholm T, Huss-Danell K. 2010. Nitrogen compounds in soil solution of agricultural land. Soil Biology and Biochemistry 42: 2325-2330.
Näsholm T, Kielland K, Ganeteg U. 2009. Uptake of organic nitrogen by plants. New Phytologist 182: 31-48.
Paungfoo-Lonhienne C, Lonhienne TGA, Rentsch D, Robinson N, Christie M, Webb R, Gamage H, Carroll B, Schenk PM, Schmidt S. 2008. Plants can use protein as a nitrogen source without assistance from other organisms. PNAS105: 4524-29.
Jämtgård S, Näsholm T, Huss-Danell, K. 2008. Characteristics of amino acid uptake in barley. Plant and Soil 302: 221-231.
Svennerstam H, Jämtgård S, Ahmad I, Huss-Danell K, Näsholm T, Ganeteg, U. 2011. Transporters in Arabidopsis roots mediating uptake of amino acids at naturally-occurring concentrations. New Phytologist 191: 459–467