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 binde nitrogenet som trengs for veksten deres. Funnene kan redusere mengden nitrogengjødsel som trengs for å dyrke avlinger, noe som sparer amerikanske bønder milliarder av dollar hvert år og gagner 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 ut 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 nitrogenfikserende bakterier i jorden»).
Nitrogen er viktig 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, som ammoniakk, produsert av bakterier i jorden. Landbruksproduksjon er basert på bruk av nitrogenholdig gjødsel for å øke planteproduktiviteten.
«Hvis planter kan produsere kjemikalier som lar jordbakterier binde atmosfærisk nitrogen, kan vi modifisere planter til å produsere mer av disse kjemikaliene», sa han. «Disse kjemikaliene oppmuntrer jordbakterier til å binde nitrogen, og planter bruker den resulterende ammoniumen, og reduserer dermed behovet for kunstgjødsel.»
Broomwalds team brukte kjemisk analyse og genomikk for å identifisere forbindelser i risplanter – apigenin og andre flavonoider – som forsterker bakterienes nitrogenfikserende aktivitet.
Deretter identifiserte de produksjonsveier for kjemikaliene og brukte CRISPR-genredigeringsteknologi for å øke produksjonen av forbindelser som stimulerer biofilmdannelse. Disse biofilmene inneholder bakterier som forbedrer nitrogenomdannelsen. Som et resultat øker bakterienes nitrogenfikserende aktivitet og mengden ammonium som er tilgjengelig for planten øker.
«Forbedrede risplanter viste økt kornutbytte når de ble dyrket under nitrogenbegrensede forhold i jorden», skrev forskerne i artikkelen. «Resultatene våre støtter manipulering av flavonoidbiosynteseveien som en måte å indusere biologisk nitrogenfiksering i korn og redusere uorganisk nitrogeninnhold. Bruk av gjødsel. Reelle strategier.»
Andre planter kan også bruke denne ruten. University of California har søkt om patent på teknologien og venter for tiden på den. 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 påførte gjødselen går tapt og siver ned i jord og grunnvann. Blumwalds oppdagelse kan bidra til å beskytte miljøet ved å redusere nitrogenforurensning. «Dette kan gi et bærekraftig alternativt jordbrukspraksis som vil redusere bruken av overflødig nitrogengjødsel», sa han.