Dr. Eduardo Blumwald (til høyre) og Akhilesh Yadav, Ph.D., og andre medlemmer av teamet deres ved University of California, Davis, modifiserte ris for å oppmuntre jordbakterier til å produsere mer nitrogen som planter kan bruke. [Trina Kleist/UC Davis]
Forskere brukte CRISPR til å konstruere ris for å oppmuntre jordbakterier til å fikse nitrogenet som trengs for veksten. Funnene kan redusere mengden nitrogengjødsel som trengs for å dyrke avlinger, spare amerikanske bønder for milliarder av dollar hvert år og være til fordel for miljøet ved å redusere nitrogenforurensning.
"Planter er utrolige kjemiske fabrikker," sa Dr. Eduardo Blumwald, en fremtredende professor i plantevitenskap ved University of California, Davis, som ledet studien. Teamet hans brukte CRISPR for å forbedre nedbrytningen av apigenin i ris. De fant at apigenin og andre forbindelser forårsaker bakteriell nitrogenfiksering.
Arbeidet deres ble publisert i tidsskriftet Plant Biotechnology ("Genetisk modifisering av risflavonoidbiosyntese forbedrer biofilmdannelse og biologisk nitrogenfiksering av jordnitrogenfikserende bakterier").
Nitrogen er avgjørende for plantevekst, men planter kan ikke direkte omdanne nitrogen fra luften til en form de kan bruke. I stedet er planter avhengige av å absorbere uorganisk nitrogen, for eksempel ammoniakk, produsert av bakterier i jorda. Landbruksproduksjonen er basert på bruk av nitrogenholdig gjødsel for å øke planteproduktiviteten.
"Hvis planter kan produsere kjemikalier som lar jordbakterier fikse atmosfærisk nitrogen, kan vi konstruere planter til å produsere flere av disse kjemikaliene," sa han. "Disse kjemikaliene oppmuntrer jordbakterier til å fikse nitrogen og planter bruker det resulterende ammoniumet, og reduserer dermed behovet for kjemisk gjødsel."
Broomwalds team brukte kjemisk analyse og genomikk for å identifisere forbindelser i risplanter – apigenin og andre flavonoider – som forbedrer bakterienes nitrogenfikserende aktivitet.
De identifiserte deretter veier for å produsere kjemikaliene og brukte CRISPR-genredigeringsteknologi for å øke produksjonen av forbindelser som stimulerer biofilmdannelse. Disse biofilmene inneholder bakterier som forbedrer nitrogentransformasjonen. Som et resultat øker den nitrogenfikserende aktiviteten til bakterier og mengden ammonium tilgjengelig for planten øker.
"Forbedrede risplanter viste økt kornutbytte når de ble dyrket under nitrogenbegrensede forhold i jorden," skrev forskerne i avisen. "Våre resultater støtter manipulering av flavonoidbiosynteseveien som en måte å indusere biologisk nitrogenfiksering i korn og redusere uorganisk nitrogeninnhold. Gjødselbruk. Ekte strategier."
Andre planter kan også bruke denne ruten. University of California har søkt patent på teknologien og venter nå på det. Forskningen ble finansiert av Will W. Lester Foundation. I tillegg støtter Bayer CropScience videre forskning på dette emnet.
"Nitrogengjødsel er veldig, veldig dyrt," sa Blumwald. "Alt som kan eliminere disse kostnadene er viktig. På den ene siden er det et spørsmål om penger, men nitrogen har også skadelige effekter på miljøet.»
Mesteparten av den tilførte gjødselen går tapt og siver ned i jorda og grunnvannet. Blumwalds oppdagelse kan bidra til å beskytte miljøet ved å redusere nitrogenforurensning. "Dette kan gi en bærekraftig alternativ oppdrettspraksis som vil redusere bruken av overflødig nitrogengjødsel," sa han.