Dr. Eduardo Blumwald (jobbra) és Akhilesh Yadav, Ph.D., valamint csapatuk más tagjai a Kaliforniai Egyetemen (Davis) módosították a rizst, hogy a talajbaktériumokat több nitrogén termelésére ösztönözzék, amit a növények felhasználhatnak. [Trina Kleist/UC Davis]
A kutatók a CRISPR segítségével megtervezték a rizst, hogy ösztönözzék a talajbaktériumokat a növekedésükhöz szükséges nitrogén megkötésére. Az eredmények csökkenthetik a növénytermesztéshez szükséges nitrogénműtrágya mennyiségét, így évente dollármilliárdokat takaríthatnak meg az amerikai gazdálkodók, és a nitrogénszennyezés mérséklésével jótékony hatással lehet a környezetre.
„A növények hihetetlen vegyipari gyárak” – mondta Dr. Eduardo Blumwald, a Kaliforniai Egyetem növénytudományok kiemelkedő professzora, a tanulmány vezetője. Csapata a CRISPR-t használta az apigenin lebontásának fokozására a rizsben. Azt találták, hogy az apigenin és más vegyületek bakteriális nitrogénmegkötést okoznak.
Munkájukat a Plant Biotechnology folyóiratban publikálták ("A rizs flavonoid bioszintézisének genetikai módosítása fokozza a biofilm képződést és a talaj nitrogénkötő baktériumok általi biológiai nitrogén rögzítését").
A nitrogén nélkülözhetetlen a növények növekedéséhez, de a növények nem tudják közvetlenül a levegőből származó nitrogént olyan formává alakítani, amelyet felhasználhatnak. Ehelyett a növények a talajban lévő baktériumok által termelt szervetlen nitrogén, például ammónia elnyelésére támaszkodnak. A mezőgazdasági termelés alapja a nitrogéntartalmú műtrágyák használata a növények termelékenységének növelése érdekében.
"Ha a növények képesek olyan vegyszereket előállítani, amelyek lehetővé teszik a talajbaktériumok számára a légköri nitrogén megkötését, akkor megtervezhetjük a növényeket, hogy több ilyen vegyszert termeljenek" - mondta. "Ezek a vegyszerek arra ösztönzik a talajbaktériumokat, hogy megkötik a nitrogént, a növények pedig felhasználják a keletkező ammóniumot, ezáltal csökkentve a műtrágyák szükségességét."
Broomwald csapata kémiai elemzés és genomika segítségével azonosította a rizsnövényekben található vegyületeket – apigenint és más flavonoidokat –, amelyek fokozzák a baktériumok nitrogénmegkötő aktivitását.
Ezután azonosították a vegyi anyagok előállításának módjait, és CRISPR génszerkesztő technológiát alkalmaztak a biofilm képződését serkentő vegyületek termelésének fokozására. Ezek a biofilmek baktériumokat tartalmaznak, amelyek fokozzák a nitrogén átalakulását. Emiatt megnő a baktériumok nitrogénmegkötő aktivitása és nő a növény számára elérhető ammónium mennyisége.
"A javított rizsnövények megnövekedett szemtermést mutattak, ha nitrogénszegény talajkörülmények között termesztették" - írták a kutatók a tanulmányban. „Eredményeink alátámasztják a flavonoid bioszintézis útvonal manipulálását, amely a szemek biológiai nitrogénkötésének indukálására és a szervetlen nitrogéntartalom csökkentésére szolgál. Műtrágyahasználat. Valódi stratégiák.”
Más növények is használhatják ezt az utat. A Kaliforniai Egyetem szabadalmat kért a technológiára, és jelenleg arra vár. A kutatást a Will W. Lester Alapítvány finanszírozta. Ezenkívül a Bayer CropScience támogatja a témával kapcsolatos további kutatásokat.
„A nitrogénműtrágyák nagyon-nagyon drágák” – mondta Blumwald. „Minden, ami kiküszöbölheti ezeket a költségeket, fontos. Ez egyrészt pénzkérdés, de a nitrogénnek is vannak káros hatásai a környezetre.”
A kijuttatott műtrágyák nagy része elvész, beszivárog a talajba és a talajvízbe. Blumwald felfedezése segíthet a környezet védelmében a nitrogénszennyezés csökkentésével. "Ez fenntartható alternatív gazdálkodási gyakorlatot biztosíthat, amely csökkenti a felesleges nitrogénműtrágya használatát" - mondta.