Tohtori Eduardo Blumwald (oikealla) ja Akhilesh Yadav, Ph.D., ja muut tiiminsä jäsenet Kalifornian yliopistossa Davisissa modifioivat riisiä kannustaakseen maaperän bakteereja tuottamaan enemmän typpeä, jota kasvit voivat käyttää. [Trina Kleist / UC Davis]
Tutkijat käyttivät CRISPR:ää riisin suunnitteluun rohkaisemaan maaperän bakteereja kiinnittämään kasvuaan tarvittavan typen. Löydökset voivat vähentää sadon kasvattamiseen tarvittavan typpilannoitteen määrää, säästää amerikkalaisilta maanviljelijöiltä miljardeja dollareita vuosittain ja hyötyä ympäristölle vähentämällä typen saastumista.
"Kasvit ovat uskomattomia kemiallisia tehtaita", sanoi tutkimusta johtanut tohtori Eduardo Blumwald, arvostettu kasvitieteiden professori Kalifornian yliopistosta Davisista. Hänen tiiminsä käytti CRISPR:ää tehostamaan riisin apigeniinin hajoamista. He havaitsivat, että apigeniini ja muut yhdisteet aiheuttavat bakteerien typen kiinnittymistä.
Heidän työnsä julkaistiin Plant Biotechnology -lehdessä ("Riisin flavonoidin biosynteesin geneettinen modifikaatio tehostaa biofilmin muodostumista ja biologista typen kiinnittymistä maaperän typpeä sitovien bakteerien toimesta").
Typpi on välttämätöntä kasvien kasvulle, mutta kasvit eivät pysty suoraan muuttamaan typpeä ilmasta käyttökelpoiseen muotoon. Sen sijaan kasvit imevät epäorgaanista typpeä, kuten ammoniakkia, jota maaperässä olevat bakteerit tuottavat. Maataloustuotanto perustuu typpipitoisten lannoitteiden käyttöön kasvien tuottavuuden lisäämiseksi.
"Jos kasvit voivat tuottaa kemikaaleja, jotka mahdollistavat maaperän bakteerien sitomisen ilmakehän typen, voimme suunnitella kasveja tuottamaan enemmän näitä kemikaaleja", hän sanoi. "Nämä kemikaalit rohkaisevat maaperän bakteereja sitomaan typpeä ja kasvit käyttävät ammoniumia, mikä vähentää kemiallisten lannoitteiden tarvetta."
Broomwaldin tiimi käytti kemiallista analyysiä ja genomiikkaa tunnistaakseen riisikasveista yhdisteitä – apigeniiniä ja muita flavonoideja – jotka tehostavat bakteerien typpeä sitovaa aktiivisuutta.
Sitten he tunnistivat reitit kemikaalien tuotantoon ja käyttivät CRISPR-geeninmuokkausteknologiaa lisätäkseen biofilmin muodostumista stimuloivien yhdisteiden tuotantoa. Nämä biofilmit sisältävät bakteereja, jotka lisäävät typen muuntamista. Tämän seurauksena bakteerien typpeä sitova aktiivisuus lisääntyy ja kasvin käytettävissä olevan ammoniumin määrä lisääntyy.
"Parannetut riisikasvit osoittivat lisääntynyttä viljasatoa, kun niitä kasvatettiin maaperän typpeä rajoittavissa olosuhteissa", tutkijat kirjoittivat paperissa. ”Tuloksemme tukevat flavonoidien biosynteesireitin manipulointia keinona indusoida jyvissä biologista typen sitoutumista ja vähentää epäorgaanisen typen pitoisuutta. Lannoitteiden käyttö. Todelliset strategiat."
Myös muut kasvit voivat käyttää tätä reittiä. Kalifornian yliopisto on hakenut patenttia teknologialle ja odottaa sitä parhaillaan. Tutkimuksen rahoitti Will W. Lester Foundation. Lisäksi Bayer CropScience tukee tämän aiheen lisätutkimusta.
"Typpilannoitteet ovat erittäin, erittäin kalliita", Blumwald sanoi. "Kaikki, mikä voi poistaa nämä kustannukset, on tärkeää. Toisaalta se on rahakysymys, mutta typellä on myös haitallisia ympäristövaikutuksia.”
Suurin osa käytetyistä lannoitteista katoaa ja imeytyy maaperään ja pohjaveteen. Blumwaldin löytö voi auttaa suojelemaan ympäristöä vähentämällä typen saastumista. "Tämä voisi tarjota kestävän vaihtoehtoisen viljelykäytännön, joka vähentäisi ylimääräisen typpilannoitteen käyttöä", hän sanoi.