Dr Eduardo Blumwald (po prawej) i dr Akhilesh Yadav oraz inni członkowie ich zespołu z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Davis zmodyfikowali ryż, aby zachęcić bakterie glebowe do wytwarzania większej ilości azotu, którą mogą wykorzystać rośliny. [Trina Kleist/UC Davis]
Naukowcy wykorzystali technologię CRISPR do opracowania ryżu, aby pobudzić bakterie glebowe do wiązania azotu potrzebnego do ich wzrostu. Odkrycia mogą zmniejszyć ilość nawozów azotowych potrzebnych do uprawy roślin, oszczędzając amerykańskim rolnikom miliardy dolarów rocznie i przynosząc korzyści środowisku poprzez zmniejszenie zanieczyszczenia azotem.
„Rośliny to niesamowite fabryki chemiczne” – powiedział dr Eduardo Blumwald, wybitny profesor nauk o roślinach na Uniwersytecie Kalifornijskim w Davis, który kierował badaniem. Jego zespół wykorzystał CRISPR do zwiększenia rozkładu apigeniny w ryżu. Odkryli, że apigenina i inne związki powodują u bakterii wiązanie azotu.
Ich prace opublikowano w czasopiśmie Plant Biotechnology („Genetyczna modyfikacja biosyntezy flawonoidów ryżowych zwiększa tworzenie biofilmu i biologiczne wiązanie azotu przez bakterie wiążące azot w glebie”).
Azot jest niezbędny do wzrostu roślin, ale rośliny nie mogą bezpośrednio przekształcać azotu z powietrza w postać, którą mogą wykorzystać. Zamiast tego rośliny polegają na pochłanianiu azotu nieorganicznego, takiego jak amoniak, wytwarzanego przez bakterie żyjące w glebie. Produkcja rolnicza opiera się na stosowaniu nawozów zawierających azot w celu zwiększenia produktywności roślin.
„Jeśli rośliny będą w stanie wytwarzać substancje chemiczne, które umożliwiają bakteriom glebowym wiązanie azotu atmosferycznego, będziemy w stanie zaprojektować rośliny tak, aby produkowały więcej tych substancji chemicznych” – powiedział. „Te chemikalia zachęcają bakterie glebowe do wiązania azotu, a rośliny wykorzystują powstały amoniak, zmniejszając w ten sposób zapotrzebowanie na nawozy chemiczne”.
Zespół Broomwalda wykorzystał analizę chemiczną i genomikę do zidentyfikowania związków w roślinach ryżu – apigeniny i innych flawonoidów – które wzmacniają zdolność bakterii do wiązania azotu.
Następnie zidentyfikowali ścieżki wytwarzania substancji chemicznych i wykorzystali technologię edycji genów CRISPR, aby zwiększyć produkcję związków stymulujących tworzenie biofilmu. Te biofilmy zawierają bakterie, które wzmagają przemianę azotu. W rezultacie zwiększa się aktywność bakterii w wiązaniu azotu i zwiększa się ilość amonu dostępnego dla rośliny.
„Ulepszone rośliny ryżu wykazały większy plon ziarna, gdy były uprawiane w warunkach ograniczonej zawartości azotu w glebie” – napisali naukowcy w artykule. „Nasze wyniki potwierdzają manipulację szlakiem biosyntezy flawonoidów jako sposób na wywołanie biologicznego wiązania azotu w ziarnach i zmniejszenie zawartości azotu nieorganicznego. Stosowanie nawozów. Prawdziwe strategie.”
Inne rośliny również mogą korzystać z tej trasy. Uniwersytet Kalifornijski złożył wniosek o patent na technologię i obecnie na niego czeka. Badania sfinansowała Fundacja Willa W. Lestera. Ponadto Bayer CropScience wspiera dalsze badania na ten temat.
„Nawozy azotowe są bardzo, bardzo drogie” – stwierdził Blumwald. „Wszystko, co może wyeliminować te koszty, jest ważne. Z jednej strony jest to kwestia pieniędzy, ale azot ma również szkodliwy wpływ na środowisko.”
Większość zastosowanych nawozów ulega zniszczeniu i przedostaje się do gleby i wód gruntowych. Odkrycie Blumwalda może pomóc chronić środowisko poprzez zmniejszenie zanieczyszczenia azotem. „Mogłoby to zapewnić zrównoważoną alternatywną praktykę rolniczą, która ograniczyłaby użycie nadmiaru nawozów azotowych” – stwierdził.