Dr. Eduardo Blumwald (höger) och Akhilesh Yadav, Ph.D., och andra medlemmar av 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 konstruera ris för att uppmuntra jordbakterier att fixera det kväve som behövs för deras tillväxt. Resultaten kan minska mängden kvävegödsel som behövs för att odla grödor, vilket sparar amerikanska bönder miljarder dollar varje år och gynnar miljön genom att minska kväveföroreningarna.
"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 jordkvävefixerande bakterier").
Kväve är viktigt för växternas tillväxt, men växter kan inte direkt omvandla kväve från luften till en form de kan använda. Istället är växter beroende av att absorbera oorganiskt kväve, såsom ammoniak, som produceras av bakterier i jorden. Jordbruksproduktionen bygger på användningen av kvävehaltiga gödselmedel för att öka växternas produktivitet.
"Om växter kan producera kemikalier som tillåter jordbakterier att fixera atmosfäriskt kväve, kan vi konstruera växter för att producera fler av dessa kemikalier," sade han. "Dessa kemikalier uppmuntrar jordbakterier att fixera kväve och växter använder det resulterande ammoniumet, vilket minskar behovet av kemiska gödningsmedel."
Broomwalds team använde kemisk analys och genomik för att identifiera föreningar i risväxter – apigenin och andra flavonoider – som förbättrar bakteriernas kvävefixerande aktivitet.
De identifierade sedan vägar för att producera 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 kvävefixerande aktivitet och mängden ammonium tillgänglig för växten ökar.
"Förbättrade risplantor visade ökad spannmålsavkastning när de odlades under jordkvävebegränsade förhållanden", skrev forskarna i tidningen. "Våra resultat stödjer manipulation av flavonoidbiosyntesvägen som ett sätt att inducera biologisk kvävefixering i spannmål och minska innehållet av oorganiskt kväve. Användning av gödningsmedel. Verkliga strategier."
Andra växter kan också använda denna väg. University of California har ansökt om patent på tekniken och väntar just nu på det. Forskningen finansierades av Will W. Lester Foundation. Dessutom stöder Bayer CropScience ytterligare forskning om 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.”
De flesta av de applicerade gödselmedlen går förlorade och sipprar ner i marken och grundvattnet. Blumwalds upptäckt kan hjälpa till att skydda miljön genom att minska kväveföroreningarna. "Detta skulle kunna ge ett hållbart alternativt jordbruksmetoder som skulle minska användningen av överskott av kvävegödsel", sa han.