Dr. Eduardo Blumwald (jobbra) és Dr. Akhilesh Yadav, valamint csapatuk más tagjai a Kaliforniai Egyetemen, Davisben módosították a rizst, hogy ösztönözzék a talajbaktériumokat több nitrogén termelésére, amelyet a növények felhasználhatnak. [Trina Kleist/UC Davis]
A kutatók CRISPR-t használtak a rizs manipulálására, hogy ösztönözzék a talajbaktériumokat a növekedésükhöz szükséges nitrogén megkötésére. Az eredmények csökkenthetik a növények termesztéséhez szükséges nitrogénműtrágya mennyiségét, ami évente több milliárd dollárt takaríthat meg az amerikai gazdáknak, és a nitrogénszennyezés csökkentésével a környezet javát szolgálhatja.
„A növények hihetetlen vegyi üzemek” – mondta Dr. Eduardo Blumwald, a Kaliforniai Egyetem (Davis) növénytudományi professzora, a tanulmány vezetője. Csapata CRISPR-t használt a rizs apigenin lebontásának fokozására. Azt találták, hogy az apigenin és más vegyületek bakteriális nitrogénmegkötést okoznak.
Munkájukat a Plant Biotechnology folyóiratban tették közzé („A rizs flavonoid bioszintézisének genetikai módosítása fokozza a biofilmképződést és a biológiai nitrogénmegkötést a talaj nitrogénmegkötő baktériumai által”).
A nitrogén elengedhetetlen a növények növekedéséhez, de a növények nem tudják közvetlenül a levegőből származó nitrogént felhasználható formává alakítani. Ehelyett a növények szervetlen nitrogén, például a talajban élő baktériumok által termelt ammónia felszívódására támaszkodnak. A mezőgazdasági termelés a nitrogéntartalmú műtrágyák használatán alapul a növények termelékenységének növelése érdekében.
„Ha a növények olyan vegyi anyagokat tudnak termelni, amelyek lehetővé teszik a talajbaktériumok számára a légköri nitrogén megkötését, akkor úgy tudjuk a növényeket manipulálni, hogy többet termeljenek ezekből a vegyi anyagokból” – mondta. „Ezek a vegyi anyagok arra ösztönzik a talajbaktériumokat, hogy megkössék a nitrogént, és a növények felhasználják a keletkező ammóniát, ezáltal csökkentve a műtrágyák iránti igényt.”
Broomwald csapata kémiai elemzést és genomikai vizsgálatokat végzett a rizsnövényekben található vegyületek – apigenin és más flavonoidok – azonosítására, amelyek fokozzák a baktériumok nitrogénmegkötő aktivitását.
Ezután azonosították a vegyi anyagok előállításának útvonalait, és CRISPR génszerkesztő technológiát alkalmaztak a biofilmképződést serkentő vegyületek termelésének növelésére. Ezek a biofilmek olyan baktériumokat tartalmaznak, amelyek fokozzák a nitrogénátalakulást. Ennek eredményeként a baktériumok nitrogénmegkötő aktivitása fokozódik, és a növény számára elérhető ammónium mennyisége is megnő.
„A nemesített rizsnövények nagyobb szemtermést mutattak, amikor nitrogénszegény talajkörülmények között termesztették” – írták a kutatók a tanulmányban. „Eredményeink alátámasztják a flavonoid bioszintézis útvonalának manipulálását a szemek biológiai nitrogénmegkötésének elősegítésére és a szervetlen nitrogéntartalom csökkentésére. Műtrágyahasználat. Valódi stratégiák.”
Más növények is használhatják ezt az utat. A Kaliforniai Egyetem szabadalmi kérelmet nyújtott be a technológiára, és jelenleg várja annak elbírálását. A kutatást a Will W. Lester Alapítvány finanszírozta. Ezenkívül a Bayer CropScience további kutatásokat támogat ebben a témában.
„A nitrogénműtrágyák nagyon-nagyon drágák” – mondta Blumwald. „Bármi, ami kiküszöbölheti ezeket a költségeket, fontos. Egyrészt ez pénz kérdése, de a nitrogénnek káros hatásai is vannak a környezetre.”
A kijuttatott műtrágyák nagy része elvész, beszivárog a talajba és a talajvízbe. Blumwald felfedezése segíthet a környezet védelmében a nitrogénszennyezés csökkentésével. „Ez egy fenntartható alternatív gazdálkodási gyakorlatot biztosíthat, amely csökkentené a felesleges nitrogénműtrágya használatát” – mondta.