A legtöbb tudós egyetért abban, hogy minden zöld növénynek 16 alapvető tápanyagra van szüksége: szén (C), oxigén (O), hidrogén (H), nitrogén (N), foszfor (P), kén (S), kalcium (Ca), magnézium (Mg), vas (Fe), mangán (Mn), réz (Cu), molibdén (Mo), bór (B), cink (Zn), klór (Cl). Ezen anyagok szükségesek a növény számára, mivel bármelyikük hiánya megakadályozza azt, hogy a növény normális vegetatív és reproduktív működései végbe menjenek. Minden ilyen hiány megelőzésére vagy korrigálására a gazda egyetlen lehetősége, ha időben biztosítja azt a növény számára megfelelő elérhető mennyiségben, vagy pótolja azt. Különböző növények különböző ütemben és mennyiségben veszik fel és hasznosítják ezeket a tápanyagokat, de a szén, oxigén és hidrogén kivételével mindegyik anyagot a talajból kell felvenniük.
Az élettanilag szükséges mennyiségtől függetlenül minden fent említett anyag egyformán fontos, hiszen különböző szerepeket töltenek be a növények működési mechanizmusai során, és nem tudják egymást helyettesíteni. Bármelyik hiánya komoly negatív hatást gyakorolhat a növény növekedésére és termésére, még akkor is, ha minden más anyag optimális mennyiségben elérhető számára. Az kiegyensúlyozott trágyázás a legmegfelelőbb megoldás jelenleg a gazda számára az optimális termesztés, és jó ételminőség érdekében. Amennyiben a trágyázás nem megfelelő, a növény nem fog optimális ütemben nőni, és nem fogja tudni a tápanyagokat megfelelően hasznosítani sem. Ha a növény valamely tápanyagból hiányt szenved, a tápanyagfelvétele sem lesz hatékony, így azok felgyülemlenek a talajban, potenciális környezeti problémákat okozva.
A terméketlen talajba ültetett növények tápanyag-újrafelszívási képessége általánosságban fejlettebb, mint a termőtalajba ültetetteké, annak érdekében, hogy a felvett tápanyagokat akár többször, hatékonyan fel tudják használni. Az, hogy az újrafelszívási képességet hogyan befolyásolja a talaj elérhető tápanyagtartalma, azonban a mai napig vitatott. Egy közel 10.000 megfigyelésen alapuló esettanulmány írói a foszfor és nitrogén trágyázás hatásait vizsgálták a növény levelinek foszfor- (P) és nitrogén (N)-koncentrációjára, valamint újrafelszívási hatékonyságára. A kutatás során megállapították, hogy a nitrogén trágyázás a levelekben 27%-kal növelte meg a N-koncentrációt, míg a foszfor trágyázás átlag 73%-kal növelte meg a zöld levelek P-koncentrációját. A trágyázás az öreg levelekben is hatással volt a tápanyag-koncentrációkra. A(z) (újra)felszívási a hatékonyság mindkét trágyázás esetében negatív hatást szenvedett, csökkent.
A FAO 2017-es tudományos cikke szerint a tápanyagban gazdag műtrágya iránti piaci kereslet 2016 és 2020 között nagyjából 10%-os emelkedést mutatott, 2020 végére elétre a 201 millió tonnát. A mezőgazdaságban napjainkban egy létfontosságú lépés lenne a műtrágya használatának csökkentése, optimalizálása. Ezáltal a műtrágya gyártó vállalatok könnyebben és hatékonyabban menedzselhetnék terméküket, illetve a produktivitásuk és fenntarthatóságuk is növekedne. Ehhez egy kiváló lehetőséget nyújt az úgynevezett „okos trágyázás”, vagyis az internet, szenzorok és fejlődő technológia felhasználása a mezőgazdasági termelésben. Ez is az „okos mezőgazdaság” része, ami az információs technológia és robotika integrálására buzdítja a termelőket. Hellerstein szerint az USA-ban aktívan termelő farmok csaknem 40%-a 2019-re már bevezette mindennapjaiba ezt a koncepciót.
Az okos trágyázással a gazda a saját termelési költségeit csökkentheti, míg a termés mennyisége és minősége is javul! Fontos, hogy emellett a környezetre gyakorolt káros hatások is csökkennek, energia és nyersanyagok spórolhatók meg, és a környezetszennyezés visszaszorítható a túltrágyázás elkerülése eredményeképp. Az okos trágyázás menedzsmentjének nincsen hátránya sem a termésre, sem a környezetre nézve.
Természetesen ebben a folyamatban nagyon fontos felmérni, hogy a növények hogyan reagálnak fejlődésük korai szakaszaiban bizonyos tápanyagokra. Erre egy megfelelő módszer például az ún. biomarker-elemzés, mely során a növény tápanyag státuszát vizsgálhatjuk élettani és molekuláris markerek segítségével. Például: a klorofill, ami a zöld színért és az energiatermeléshez szükséges fényelnyelésért felelős pigment a növényben, egy olyan hasznos biomarker, amely a nitrogén státuszt képes megmutatni a növény leveleiben, így a mezőgazdasági folyamatok mérése során egy hasznos vizsgálati eszköz.
Az RNA biomarkerek bizonyos, tápanyagokhoz köthető faktorok változásainak hatásait képesek megmutatni a gének vizsgálatával. Ez egy viszonylag drága módszer, viszont specifikus és robusztus eredményeket ad, ráadásul a növények fajtáinak széles skáláján alkalmazható kiemelkedő megbízhatósággal. Magas diagnosztikai értékkel bír, a tápanyaghiányos állapoton kívül más állapotokat is kimutathat. Egy 2010-es kísérletben például egy ilyen RNA biomarker segítségével állapítottak meg az Arabidopsis thaliana érett leveleiben magnéziumhiányt, miközben a növénynek semmilyen más tápanyaghiánya nem volt, és környezeti stressz (pl. szárazság) sem érte.
A növényekben a tápanyaghiány az anyagcseréjükre van hatással, valamint az anyagcseretermékeik is nagy mértékben megváltozhatnak (pl. aminosavak, cukrok, lipidek). Ezek az ún. metaboliták tápanyaghiány pontos biomarkereként szolgálhatnak. A káliumhiány például a tetrametilén-diamin (metabolita) felgyülemlését akadályozhatja, mely a kálium organikus kationként való helyettesítését látja el. Amennyiben a levelekben, tetrametilén-diamint találunk, az biztos jele lehet a káliumhiánynak, míg a levelekben talált magas káliumszint a tetrametilén-diamin csökkenését mutatja. Tehát mivel a tetrametilén-diamin érzékeny a káliumszint változására (külső kálium hozzáadására), remek biomarkerként szolgál az alacsony káliumszint kimutatására, míg a magas tetrametilén-diamin szintje szintén biomarker lehet a túl magas káliumszint megállapításához. A növények klorofilltartalma nitrogénhiány jelenlétében nő, így a klorofillt a mezőgazdaságban biomarkerként azonosítják a nitrogénhiány kimutatására.
Ezeket a kimutatásokat érzékeny szenzorok segítségével és folyamatos mérések folyamán készítik. Az okos trágyázás menedzsmentjének elmélete nagyban elősegítette az optimalizált nitrogén trágyázás kialakítását a növények tápanyagtartalmán alapuló fenotípuskutatás elősegítésével. Sajnos a legtöbb ehhez kapcsolódó technika még nem került tesztelésre a mai napig sem, jelenleg is laboratóriumokban fejlesztik őket, a jövő mezőgazdaságában kulcsfontosságú szerepet fognak játszani. Így, mivel ez a módszer még nem teljesen kiforrott, az kiegyensúlyozott trágyázásra tud támaszkodni a gazda. Ázsiában általánosságban jellemző a túlzott nitrogénpótlás a foszforral szemben. Az elmúlt néhány évben a kiegyensúlyozott trágyázás elméletét követve Kínában a búzatermés 15-50%-kal emelkedett.
Az IMPHOS által végzett magyarországi kutatás során egyértelművé vált, hogy itthon még nem működik hatékonyan a kiegyensúlyozott trágyázás, így gyakran túltrágyázás történik, ami a termés elmaradásához, és a jövedelmezőség csökkenéséhez vezet. A búza esetében például a teljes nitrogén-foszfor-kálium tápanyagok hozzáadása/pótlása termésveszteség nélkül csökkenthető 320 kg/ha mennyiségről 240 kg/ha-ra, ami a környezetre is pozitív hatással lesz. Fontos, hogy mielőtt bármilyen trágyázási ütemtervet állít össze a gazda, tisztában legyen azzal, hogy az adott talajban milyen tápanyagok elérhetőek, milyen mennyiségben, és az alapján átgondolni, mit szükséges pótolnia, és mit nem.
