Tohtori Eduardo Blumwald (oikealla) ja Akhilesh Yadav, Ph.D., sekä heidän tiiminsä jäsenet Kalifornian yliopistossa Davisissa muokkasivat riisiä kannustaakseen maaperän bakteereja tuottamaan enemmän typpeä, jota kasvit voivat käyttää. [Trina Kleist/UC Davis]
Tutkijat käyttivät CRISPR:ää riisin muokkaamiseen kannustaakseen maaperän bakteereja sitomaan kasvuunsa tarvittavaa typpeä. Tulokset voisivat vähentää viljelykasvien tarvitseman typpilannoitteen määrää, mikä säästäisi amerikkalaisille maanviljelijöille miljardeja dollareita vuosittain ja hyödyttäisi ympäristöä vähentämällä typpisaastetta.
”Kasvit ovat uskomattomia kemiallisia tehtaita”, sanoi tutkimusta johtanut, Kalifornian yliopiston Davisin kasvitieteiden professori, tohtori Eduardo Blumwald. Hänen tiiminsä käytti CRISPR:ää tehostaakseen apigeniinin hajoamista riisissä. He havaitsivat, että apigeniini ja muut yhdisteet aiheuttavat bakteerien typensidontaa.
Heidän työnsä julkaistiin Plant Biotechnology -lehdessä (”Riisin flavonoidien biosynteesin geneettinen modifikaatio parantaa biofilmin muodostumista ja biologista typensidontaa maaperän typpeä sitovien bakteerien avulla”).
Typpi on välttämätöntä kasvien kasvulle, mutta kasvit eivät voi suoraan muuttaa ilmasta saatavaa typpeä käyttökelpoiseen muotoon. Sen sijaan kasvit imevät itseensä epäorgaanista typpeä, kuten ammoniakkia, jota maaperän bakteerit tuottavat. Maataloustuotanto perustuu typpipitoisten lannoitteiden käyttöön kasvien tuottavuuden lisäämiseksi.
”Jos kasvit pystyvät tuottamaan kemikaaleja, jotka mahdollistavat maaperäbakteerien sitoa ilmakehän typpeä, voimme muokata kasveja tuottamaan enemmän näitä kemikaaleja”, hän sanoi. ”Nämä kemikaalit kannustavat maaperäbakteereja sitomaan typpeä ja kasvit käyttävät syntyvää ammoniumia, mikä vähentää kemiallisten lannoitteiden tarvetta.”
Broomwaldin tiimi käytti kemiallista analyysia ja genomiikkaa tunnistaakseen riisikasveissa olevia yhdisteitä – apigeniinia ja muita flavonoideja – jotka tehostavat bakteerien typensidontaa.
Sitten he tunnistivat kemikaalien tuotantoreitit ja käyttivät CRISPR-geeninmuokkausteknologiaa lisätäkseen biofilmien muodostumista stimuloivien yhdisteiden tuotantoa. Nämä biofilmit sisältävät bakteereja, jotka tehostavat typen muuntumista. Tämän seurauksena bakteerien typensidonta-aktiivisuus lisääntyy ja kasvien käytettävissä olevan ammoniumin määrä kasvaa.
”Parannetut riisikasvit osoittivat lisääntynyttä jyväsatoa, kun niitä kasvatettiin maaperän typpirajoitetuissa olosuhteissa”, tutkijat kirjoittivat artikkelissa. ”Tuloksemme tukevat flavonoidien biosynteesireitin manipulointia keinona indusoida biologista typensidontaa jyvissä ja vähentää epäorgaanisen typen pitoisuutta. Lannoitteiden käyttö. Todellisia strategioita.”
Myös muut kasvit voivat käyttää tätä menetelmää. Kalifornian yliopisto on hakenut teknologialle patenttia ja odottaa sitä parhaillaan. Tutkimusta rahoitti Will W. Lester -säätiö. Lisäksi Bayer CropScience tukee aiheen jatkotutkimusta.
”Typpilannoitteet ovat erittäin, erittäin kalliita”, Blumwald sanoi. ”Mikä tahansa, mikä voi poistaa nämä kustannukset, on tärkeää. Toisaalta se on rahakysymys, mutta typellä on myös haitallisia vaikutuksia ympäristölle.”
Suurin osa käytetyistä lannoitteista valuu hukkaan maaperään ja pohjaveteen. Blumwaldin löytö voisi auttaa suojelemaan ympäristöä vähentämällä typpisaastetta. "Tämä voisi tarjota kestävän vaihtoehtoisen viljelykäytännön, joka vähentäisi liiallisen typpilannoitteen käyttöä", hän sanoi.