Till ett barn, jord är bara smuts – ett hem för maskar. Till en trädgårdsmästare, jord är en samling av organiskt material och näringsämnen. Men till växter, mark är en grogrund för kemisk aktivitet. Och växter observerar inte bara, de deltar aktivt i denna aktivitet.

Växter släpper ut kemikalier i jorden, kallas exsudat, som säger åt mikrober att slå på eller stänga av vissa kemiska processer. Forskare börjar förstå dessa signaler och hoppas kunna utnyttja dem för att förbättra effektiviteten, hållbarhet och miljöpåverkan från triljonen dollar jordbruksindustrin.

De tre huvudsakliga näringsämnena växter behöver för att växa är kol, kväve och fosfor. En växts kolbehov kommer från luft i form av koldioxid, men kväve- och fosforbehovet kommer från jorden, och ofta är kväve det grundämne som har kortast tillgång naturligt – och så för att öka deras avkastning, bönder tillför kväve till jorden.

Konstgjord kvävegödsel är en viktig komponent i ett jordbrukssystem som föder mer än 7 miljarder människor, men det kommer med en enorm miljökostnad. När befolkningen växer, och när matvanorna ändras till mer köttbaserade dieter, kväveföroreningar ser ut att bli ännu mer av ett problem.

Bekämpning av kväveföroreningar

"I vilken utsträckning vi har blandat oss i kvävets kretslopp globalt är häpnadsväckande, säger professor Herbert Kronzucker, chef för University of Melbournes School of BioSciences.

"210 miljoner ton kväve per år tas från atmosfären och omvandlas till en fast form av kväve genom mänsklig verksamhet. Och det mesta av detta hamnar som gödningsmedel i jordbruksmark.

"Men mindre än hälften av detta kan faktiskt fångas upp av växter. Resten går förlorat till atmosfären som kvävgas eller växthusgasen lustgas, eller läcker ut i vattendrag där det är en stor förorening.

"I USA, mer än hälften av alla sjöar är hårt påverkade av för mycket kväve eller fosfor."

Men tänk om istället för att tillföra mer och mer kväve till jorden, hjälper vi växter att bättre använda det kväve som redan finns där?

Professor Kronzucker och hans kollegor vid University of Toronto, Laval University och den kinesiska vetenskapsakademin letar efter grödor som kommunicerar med jorden på ett sätt som minskar deras kvävebehov.

"Vi blev intresserade av förhållandet mellan kemikalier från växter och deras inverkan på markmikrober, säger professor Kronzucker.

Människans inblandning

Kväve tar många kemiska former. De mest användbara formerna för växttillväxt är nitrat (NO3-) och ammoniak (NH3). Kemiska processer i marken omvandlar kväve mellan dessa och andra former.

Ett exempel är en process som kallas nitrifikation, som förvandlar ammoniak till nitrat. Nitrat är problematiskt i jorden eftersom, medan växter älskar det, det fastnar inte som ammoniak gör. Det tenderar att lösas upp i vatten och sköljs ur jorden genom regn och grundvatten. Också, markmikrober omvandlar nitrat till kvävgas, som är värdelöst för växter.

Alla dessa processer är reversibla, och så småningom återförs kvävgas till jorden genom en annan mikrobiell process som kallas kvävefixering, men denna process är för långsam för industriella jordbrukssystem. Bönderna måste fortsätta att tillföra mer och mer kväve, och vanligtvis är detta i form av konstgjorda kvävegödselmedel.

Dessa gödselmedel produceras med en energikrävande industriell process som "fixerar" kvävgas genom att omvandla den till ammoniak. Denna process, kallas Haber-Bosch-processen, var en viktig faktor i den gröna revolutionen som började på 1960-talet och som nu ger mat åt mer än 7 miljarder människor.

Under de senaste åren har mänsklig aktivitet har mer än fördubblat mängden kväve som kommer in i jordens mark. Och hälften av detta extra kväve går till spillo. Men professor Kronzucker säger att det inte behöver vara så här.

Växter som växer i områden med låg eller intermittent kvävetillgång producerar utsöndringar som kan blockera eller förbättra markens kväveomvandlingar för att förbättra kväveupptaget när markens kvävetillgång är låg.

Potentialen hos växtutsöndringar

Professor Kronzucker började först studera hur växtexsudat interagerar med markens kvävekemi i Kanadas skogsträd. Men han har sedan dess blivit mer intresserad av hur denna interaktion fungerar med världens stora växter.

Förra året publicerade hans grupp sin forskning om växtexsudat från ris.

"Ris matar tre miljarder människor, men det hade inte undersökts för dess växtexsudat, säger professor Kronzucker.

De fann att alla risstammar de testade hade utsöndringar som kunde påverka jordens kväve.

"Detta är ett paradigmskifte. Var vi än letar hittar vi något, säger professor Kronzucker.

Teamet började sedan granska alla befintliga studier av växtexsudat i ris, vete och majs. De var särskilt intresserade av kemikalier som specifikt hämmar nitrifikation, processen som omvandlar ammoniak till nitrat.

Detta arbete är publicerat i Natur Växter .

De fann att mycket lite är känt om dessa biologiska nitrifikationshämmare (BNI) i rotexsudat från vete och majs, de två största globala skördarna efter ris. Faktiskt, ingenting är känt alls om BNI i majs.

Från hans erfarenhet av ris, Professor Kronzucker tror att dessa exsudat kommer att finnas i vete och majs, vi behöver bara leta efter dem.

När vi får en bättre förståelse för hur växter pratar med jorden, dessa upptäckter kan leda till nya jordbrukstekniker, konstgjorda jordtillsatser, eller genetisk modifiering för att producera grödor som kan begränsa kväveförlusten. Dock, Professor Kronzucker säger att det finns "enorm potential" i att helt enkelt screena befintliga rissorter, vete och majs för "kvävesuperstjärnor".

"Om du gör screeningsjobbet bra med de typer av genotyper som finns, du behöver inte titta på genetisk modifiering, " han säger.

En ny grön revolution

Professor Kronzucker är inte förvånad över att rotutsöndringar från ris, vete och majs är så dåligt förstådda. I utvecklade länder, kvävegödsel är relativt billigt och det har funnits få incitament för bönder att lägga tid eller ansträngning på att minska sin användning av gödselmedel. Därför, det har funnits lite incitament, eller finansiering, för forskning för att hjälpa till med detta. Professor Kronzucker tror att detta kommer att förändras.

"Nu har vi koldioxidtak – vi har sätt att minska koldioxidutsläppen. Vi behöver liknande sätt att minska kväveutsläppen. God praxis bör belönas, och dålig praxis bör bestraffas."

Han hoppas att detta ska leda till en ny grön revolution.

"Sedan den gröna revolutionen började på 1960-talet har vi sett en fenomenal framgång vad gäller avkastning. Men eftersom gödselmedel var så lättillgängliga, de flesta sorter har utvecklats i system med högt kväve och högt fosfor, inte under näringsbegränsning.

"Nu sker en förändring mot sorter som är näringseffektiva. I vissa delar av jorden gör bönder detta av nödvändighet, de har inget val. I Afrika är det typiskt att arbeta under näringsbegränsade förhållanden."

Professor Kronzucker säger att platser som Afrika är där "kvävesuperstjärnorna" kommer att finnas.

"På de här platserna finns det många skatter som bönderna har valt ut."