Dr. Eduardo Blumwald (höger) och Akhilesh Yadav, Ph.D., och andra medlemmar i deras team vid University of California, Davis, modifierade ris för att uppmuntra jordbakterier att producera mer kväve som växter kan använda. [Trina Kleist/UC Davis]
Forskare använde CRISPR för att modifiera ris för att uppmuntra jordbakterier att binda det kväve som behövs för deras tillväxt. Resultaten skulle kunna minska mängden kvävegödselmedel som behövs för att odla grödor, vilket sparar amerikanska bönder miljarder dollar varje år och gynnar miljön genom att minska kväveföroreningar.
”Växter är otroliga kemiska fabriker”, säger Dr. Eduardo Blumwald, framstående professor i växtvetenskap vid University of California, Davis, som ledde studien. Hans team använde CRISPR för att förbättra nedbrytningen av apigenin i ris. De fann att apigenin och andra föreningar orsakar bakteriell kvävefixering.
Deras arbete publicerades i tidskriften Plant Biotechnology (”Genetisk modifiering av risflavonoidbiosyntes förbättrar biofilmbildning och biologisk kvävefixering av kvävefixerande bakterier i marken”).
Kväve är avgörande för växters tillväxt, men växter kan inte direkt omvandla kväve från luften till en form de kan använda. Istället förlitar sig växter på att absorbera oorganiskt kväve, såsom ammoniak, som produceras av bakterier i jorden. Jordbruksproduktionen baseras på användningen av kvävehaltiga gödningsmedel för att öka växternas produktivitet.
”Om växter kan producera kemikalier som gör att jordbakterier kan binda atmosfäriskt kväve, kan vi modifiera växter så att de producerar mer av dessa kemikalier”, sa han. ”Dessa kemikalier uppmuntrar jordbakterier att binda kväve och växter använder den resulterande ammoniumhalten, vilket minskar behovet av kemiska gödningsmedel.”
Broomwalds team använde kemisk analys och genomik för att identifiera föreningar i risplantor – apigenin och andra flavonoider – som förstärker bakteriernas kvävefixerande aktivitet.
De identifierade sedan produktionsvägar för kemikalierna och använde CRISPR-genredigeringsteknik för att öka produktionen av föreningar som stimulerar biofilmbildning. Dessa biofilmer innehåller bakterier som förbättrar kväveomvandlingen. Som ett resultat ökar bakteriernas kvävefixeringsaktivitet och mängden ammonium som är tillgänglig för växten ökar.
”Förbättrade risplantor visade ökad spannmålsavkastning när de odlades under kvävebegränsade förhållanden i jorden”, skrev forskarna i artikeln. ”Våra resultat stöder manipulation av flavonoidbiosyntesvägen som ett sätt att inducera biologisk kvävefixering i spannmål och minska oorganiskt kväveinnehåll. Användning av gödselmedel. Verkliga strategier.”
Andra växter kan också använda den här vägen. University of California har ansökt om patent på tekniken och väntar för närvarande på det. Forskningen finansierades av Will W. Lester Foundation. Dessutom stöder Bayer CropScience ytterligare forskning i detta ämne.
”Kvävegödselmedel är väldigt, väldigt dyra”, sa Blumwald. ”Allt som kan eliminera dessa kostnader är viktigt. Å ena sidan är det en fråga om pengar, men kväve har också skadliga effekter på miljön.”
Det mesta av det gödningsmedel som appliceras går förlorat och sipprar ner i marken och grundvattnet. Blumwalds upptäckt skulle kunna bidra till att skydda miljön genom att minska kväveföroreningar. ”Detta skulle kunna ge ett hållbart alternativt jordbruksmetod som skulle minska användningen av överskott av kvävegödselmedel”, sa han.