Dr Eduardo Blumwald (po prawej) i dr Akhilesh Yadav wraz z innymi członkami swojego zespołu z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Davis zmodyfikowali ryż, aby zachęcić bakterie glebowe do produkcji większej ilości azotu, z którego mogą korzystać rośliny. [Trina Kleist/UC Davis]
Naukowcy wykorzystali technikę CRISPR do modyfikacji ryżu, aby zachęcić bakterie glebowe do wiązania azotu niezbędnego do wzrostu. Odkrycia te mogą zmniejszyć ilość nawozów azotowych potrzebnych do uprawy roślin, oszczędzając amerykańskim rolnikom miliardy dolarów rocznie i przynosząc korzyści środowisku poprzez redukcję 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 usprawnienia rozkładu apigeniny w ryżu. Odkryli, że apigenina i inne związki powodują wiązanie azotu przez bakterie.
Ich praca została opublikowana w czasopiśmie Plant Biotechnology (Genetic modification of rice flawonoid biosynthesis enhances biofilm formation and biological nitrogen binding by soil nitrogen-fitting bacteria).
Azot jest niezbędny do wzrostu roślin, ale rośliny nie potrafią bezpośrednio przekształcać azotu z powietrza w formę, którą mogłyby wykorzystać. Zamiast tego rośliny absorbują azot nieorganiczny, taki jak amoniak, wytwarzany przez bakterie glebowe. Produkcja rolna opiera się na stosowaniu nawozów zawierających azot w celu zwiększenia produktywności roślin.
„Jeśli rośliny potrafią wytwarzać substancje chemiczne, które pozwalają bakteriom glebowym wiązać azot atmosferyczny, możemy zmodyfikować rośliny tak, aby produkowały więcej tych substancji” – powiedział. „Te substancje chemiczne pobudzają bakterie glebowe do wiązania azotu, a rośliny wykorzystują powstały amon, zmniejszając w ten sposób zapotrzebowanie na nawozy chemiczne”.
Zespół Broomwalda wykorzystał analizę chemiczną i genomikę do zidentyfikowania związków obecnych w roślinach ryżu – apigeniny i innych flawonoidów – które wzmacniają aktywność bakterii w zakresie wiązania azotu.
Następnie zidentyfikowali ścieżki produkcji tych substancji chemicznych i wykorzystali technologię edycji genów CRISPR, aby zwiększyć produkcję związków stymulujących tworzenie biofilmu. Biofilmy te zawierają bakterie, które wspomagają transformację azotu. W rezultacie wzrasta aktywność wiązania azotu przez bakterie, a ilość amoniaku dostępnego dla rośliny.
„Ulepszone rośliny ryżu wykazały zwiększony plon ziarna w warunkach ograniczonej zawartości azotu w glebie” – napisali naukowcy w artykule. „Nasze wyniki potwierdzają, że manipulacja szlakiem biosyntezy flawonoidów może być sposobem na indukcję biologicznego wiązania azotu w ziarnach i zmniejszenie zawartości azotu nieorganicznego. Stosowanie nawozów. Realne strategie”.
Inne rośliny również mogą wykorzystać tę metodę. Uniwersytet Kalifornijski złożył wniosek patentowy na tę technologię i obecnie na niego czeka. Badania zostały sfinansowane przez Fundację Willa W. Lestera. Ponadto Bayer CropScience wspiera dalsze badania w tym zakresie.
„Nawozy azotowe są bardzo, bardzo drogie” – powiedział Blumwald. „Wszystko, co może wyeliminować te koszty, jest ważne. Z jednej strony to kwestia pieniędzy, ale azot ma również szkodliwy wpływ na środowisko”.
Większość stosowanych nawozów ulega zniszczeniu, przenikając do gleby i wód gruntowych. Odkrycie Blumwalda może pomóc chronić środowisko poprzez zmniejszenie zanieczyszczenia azotem. „Mogłoby to zapewnić zrównoważoną, alternatywną praktykę rolniczą, która ograniczyłaby stosowanie nadmiaru nawozów azotowych” – powiedział.