Dr. Eduardo Blumwald (til højre) og Akhilesh Yadav, ph.d., samt andre medlemmer af deres team ved University of California, Davis, modificerede ris for at tilskynde jordbakterier til at producere mere kvælstof, som planterne kan bruge. [Trina Kleist/UC Davis]
Forskere brugte CRISPR til at konstruere ris for at tilskynde jordbakterier til at binde det kvælstof, der er nødvendigt for deres vækst. Resultaterne kunne reducere mængden af ​​kvælstofgødning, der er nødvendig for at dyrke afgrøder, hvilket sparer amerikanske landmænd milliarder af dollars hvert år og gavner miljøet ved at reducere kvælstofforurening.
"Planter er utrolige kemiske fabrikker," sagde Dr. Eduardo Blumwald, fremtrædende professor i plantevidenskab ved University of California, Davis, som ledede undersøgelsen. Hans team brugte CRISPR til at forbedre nedbrydningen af ​​apigenin i ris. De fandt ud af, at apigenin og andre forbindelser forårsager bakteriel nitrogenfiksering.
Deres arbejde blev offentliggjort i tidsskriftet Plant Biotechnology (“Genetisk modifikation af risflavonoidbiosyntese forbedrer biofilmdannelse og biologisk nitrogenfiksering af jordnitrogenfikserende bakterier”).
Kvælstof er afgørende for plantevækst, men planter kan ikke direkte omdanne kvælstof fra luften til en form, de kan bruge. I stedet er planter afhængige af at absorbere uorganisk kvælstof, såsom ammoniak, produceret af bakterier i jorden. Landbrugsproduktion er baseret på brugen af ​​kvælstofholdig gødning for at øge planternes produktivitet.
"Hvis planter kan producere kemikalier, der gør det muligt for jordbakterier at binde atmosfærisk kvælstof, kan vi modificere planter til at producere flere af disse kemikalier," sagde han. "Disse kemikalier tilskynder jordbakterier til at binde kvælstof, og planterne bruger den resulterende ammonium, hvilket reducerer behovet for kunstgødning."
Broomwalds team brugte kemisk analyse og genomik til at identificere forbindelser i risplanter – apigenin og andre flavonoider – der forstærker bakteriernes kvælstoffikserende aktivitet.
Derefter identificerede de produktionsveje for kemikalierne og brugte CRISPR-genredigeringsteknologi til at øge produktionen af ​​forbindelser, der stimulerer dannelsen af ​​biofilm. Disse biofilm indeholder bakterier, der forbedrer kvælstofomdannelsen. Som følge heraf øges bakteriernes kvælstoffikserende aktivitet, og mængden af ​​ammonium, der er tilgængeligt for planten, øges.
"Forbedrede risplanter viste øget kornudbytte, når de blev dyrket under jordforhold med begrænset nitrogenindhold," skrev forskerne i artiklen. "Vores resultater understøtter manipulation af flavonoidbiosyntesevejen som en måde at inducere biologisk nitrogenfiksering i korn og reducere uorganisk nitrogenindhold. Brug af gødning. Virkelige strategier."
Andre planter kan også bruge denne rute. University of California har ansøgt om patent på teknologien og afventer i øjeblikket den. Forskningen blev finansieret af Will W. Lester Foundation. Derudover støtter Bayer CropScience yderligere forskning i dette emne.
"Kvælstofgødning er meget, meget dyrt," sagde Blumwald. "Alt, der kan eliminere disse omkostninger, er vigtigt. På den ene side er det et spørgsmål om penge, men kvælstof har også skadelige virkninger på miljøet."
Det meste af den anvendte gødning går tabt og siver ned i jorden og grundvandet. Blumwalds opdagelse kan bidrage til at beskytte miljøet ved at reducere kvælstofforurening. "Dette kan give et bæredygtigt alternativt landbrugspraksis, der ville reducere brugen af ​​overskydende kvælstofgødning," sagde han.