Доктор Эдуардо Блюмвальд (справа) и доктор философии Ахилеш Ядав, а также другие члены их команды из Калифорнийского университета в Дэвисе, модифицировали рис, чтобы стимулировать почвенные бактерии к производству большего количества азота, который могут использовать растения. [Трина Клейст/Калифорнийский университет в Дэвисе]
Исследователи использовали технологию CRISPR для генной инженерии риса, чтобы стимулировать почвенные бактерии к фиксации азота, необходимого для их роста. Полученные результаты могут снизить количество азотных удобрений, необходимых для выращивания сельскохозяйственных культур, что позволит американским фермерам экономить миллиарды долларов ежегодно и принесет пользу окружающей среде за счет уменьшения загрязнения азотом.
«Растения — это невероятные химические фабрики», — сказал доктор Эдуардо Блюмвальд, заслуженный профессор растениеводства Калифорнийского университета в Дэвисе, возглавлявший исследование. Его команда использовала CRISPR для усиления расщепления апигенина в рисе. Они обнаружили, что апигенин и другие соединения вызывают бактериальную фиксацию азота.
Результаты их работы были опубликованы в журнале Plant Biotechnology («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 урожайности растений.
«Если растения способны производить химические вещества, позволяющие почвенным бактериям фиксировать атмосферный азот, мы можем модифицировать растения, чтобы они производили больше этих веществ», — сказал он. «Эти химические вещества стимулируют почвенные бактерии к фиксации азота, а растения используют образующийся аммоний, тем самым снижая потребность в химических удобрениях».
Команда Брумвальда использовала химический анализ и геномику для идентификации соединений в растениях риса — апигенина и других флавоноидов, — которые усиливают азотфиксирующую активность бактерий.
Затем они определили пути производства этих химических веществ и использовали технологию редактирования генов CRISPR для увеличения производства соединений, стимулирующих образование биопленок. Эти биопленки содержат бактерии, которые усиливают трансформацию азота. В результате повышается азотфиксирующая активность бактерий и увеличивается количество аммония, доступного растению.
«Улучшенные сорта риса показали повышенную урожайность зерна при выращивании в условиях дефицита азота в почве», — написали исследователи в статье. «Наши результаты подтверждают, что манипулирование путем биосинтеза флавоноидов может способствовать биологической фиксации азота в зерне и снижению содержания неорганического азота. Использование удобрений. Реальные стратегии».
Этот способ выращивания могут использовать и другие растения. Калифорнийский университет подал заявку на патент на эту технологию и в настоящее время ожидает его получения. Исследование финансировалось Фондом Уилла У. Лестера. Кроме того, компания Bayer CropScience поддерживает дальнейшие исследования по этой теме.
«Азотные удобрения очень и очень дороги», — сказал Блюмвальд. «Все, что может снизить эти затраты, важно. 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, снизив загрязнение азотом. «Это может обеспечить устойчивую альтернативную сельскохозяйственную практику, которая позволит сократить использование избыточных азотных удобрений», — сказал он.