Доктор Эдуардо Блюмвальд (справа) и Ахилеш Ядав, доктор философии, и другие члены их команды из Калифорнийского университета в Дэвисе модифицировали рис, чтобы стимулировать почвенные бактерии производить больше азота, который могут использовать растения. [Трина Кляйст/Калифорнийский университет в Дэвисе]
Исследователи использовали CRISPR для создания риса, чтобы стимулировать почвенные бактерии фиксировать азот, необходимый для их роста. Полученные результаты могут сократить количество азотных удобрений, необходимых для выращивания сельскохозяйственных культур, что сэкономит американским фермерам миллиарды долларов каждый год и принесет пользу окружающей среде за счет снижения загрязнения азотом.
«Растения — это невероятные химические фабрики», — сказал доктор Эдуардо Блюмвальд, выдающийся профессор наук о растениях Калифорнийского университета в Дэвисе, который руководил исследованием. Его команда использовала CRISPR, чтобы усилить расщепление апигенина в рисе. Они обнаружили, что апигенин и другие соединения вызывают бактериальную азотфиксацию.
Их работа была опубликована в журнале «Биотехнология растений» («Генетическая модификация биосинтеза флавоноидов риса усиливает образование биопленок и биологическую фиксацию азота почвенными азотфиксирующими бактериями»).
Азот необходим для роста растений, но растения не могут напрямую преобразовывать азот из воздуха в форму, которую они могут использовать. Вместо этого растения полагаются на поглощение неорганического азота, такого как аммиак, вырабатываемого бактериями в почве. Сельскохозяйственное производство основано на использовании азотсодержащих удобрений для повышения продуктивности растений.
«Если растения смогут производить химические вещества, которые позволят почвенным бактериям связывать атмосферный азот, мы сможем сконструировать растения, производящие больше этих химикатов», — сказал он. «Эти химикаты побуждают почвенные бактерии фиксировать азот, а растения используют образующийся аммоний, тем самым снижая потребность в химических удобрениях».
Команда Брумвальда использовала химический анализ и геномику для выявления в растениях риса соединений — апигенина и других флавоноидов, — которые усиливают азотфиксирующую активность бактерий.
Затем они определили пути производства химических веществ и использовали технологию редактирования генов CRISPR, чтобы увеличить производство соединений, которые стимулируют образование биопленок. Эти биопленки содержат бактерии, усиливающие трансформацию азота. В результате усиливается азотфиксирующая активность бактерий и увеличивается количество доступного растению аммония.
«Улучшенные растения риса показали повышенную урожайность зерна при выращивании в условиях с ограниченным содержанием азота в почве», — пишут исследователи в статье. «Наши результаты подтверждают манипулирование путем биосинтеза флавоноидов как способ вызвать биологическую фиксацию азота в зернах и снизить содержание неорганического азота. Использование удобрений. Реальные стратегии».
Другие заводы также могут использовать этот маршрут. Калифорнийский университет подал заявку на патент на технологию и в настоящее время ожидает его. Исследование финансировалось Фондом Уилла У. Лестера. Кроме того, Bayer CropScience поддерживает дальнейшие исследования по этой теме.
«Азотные удобрения очень и очень дороги», — сказал Блюмвальд. «Важно все, что может устранить эти затраты. С одной стороны, это вопрос денег, но азот также оказывает вредное воздействие на окружающую среду».
Большая часть внесенных удобрений теряется, просачиваясь в почву и грунтовые воды. Открытие Блюмвальда может помочь защитить окружающую среду за счет снижения загрязнения азотом. «Это могло бы обеспечить устойчивую альтернативную практику ведения сельского хозяйства, которая позволила бы сократить использование избыточного количества азотных удобрений», — сказал он.