Доктор Едуардо Блумвальд (праворуч) і Ахілеш Ядав, доктор філософії, та інші члени їхньої команди з Каліфорнійського університету в Девісі модифікували рис, щоб спонукати ґрунтові бактерії виробляти більше азоту, який можуть використовувати рослини. [Тріна Клейст/UC Davis]
Дослідники використовували CRISPR для створення рису, щоб спонукати ґрунтові бактерії фіксувати азот, необхідний для їхнього росту. Отримані результати можуть зменшити кількість азотних добрив, необхідних для вирощування сільськогосподарських культур, заощаджуючи американським фермерам мільярди доларів щороку та приносячи користь навколишньому середовищу, зменшуючи забруднення азотом.
«Рослини — це неймовірні хімічні фабрики», — сказав доктор Едуардо Блумвальд, видатний професор рослинництва Каліфорнійського університету в Девісі, який керував дослідженням. Його команда використовувала CRISPR для посилення розщеплення апігеніну в рисі. Вони виявили, що апігенін та інші сполуки викликають бактеріальну фіксацію азоту.
Їхня робота була опублікована в журналі Plant Biotechnology («Генетична модифікація біосинтезу флавоноїдів рису посилює утворення біоплівки та біологічну фіксацію азоту ґрунтовими азотфіксуючими бактеріями»).
Азот необхідний для росту рослин, але рослини не можуть безпосередньо перетворювати азот з повітря у форму, яку вони можуть використовувати. Натомість рослини покладаються на поглинання неорганічного азоту, такого як аміак, який виробляють бактерії в ґрунті. Сільськогосподарське виробництво базується на застосуванні азотовмісних добрив для підвищення продуктивності рослин.
«Якщо рослини можуть виробляти хімічні речовини, які дозволяють ґрунтовим бактеріям фіксувати атмосферний азот, ми можемо сконструювати рослини, щоб виробляти більше цих хімічних речовин», — сказав він. «Ці хімічні речовини спонукають ґрунтові бактерії фіксувати азот, а рослини використовують отриманий амоній, тим самим зменшуючи потребу в хімічних добривах».
Команда Брумвальда використовувала хімічний аналіз і геномику, щоб ідентифікувати сполуки в рослинах рису – апігенін та інші флавоноїди – які посилюють азотфіксуючу активність бактерій.
Потім вони визначили шляхи виробництва хімічних речовин і використали технологію редагування генів CRISPR, щоб збільшити виробництво сполук, які стимулюють утворення біоплівки. Ці біоплівки містять бактерії, які посилюють перетворення азоту. В результаті підвищується азотфіксуюча активність бактерій і збільшується кількість доступного рослині амонію.
«Покращені рослини рису продемонстрували підвищену врожайність зерна при вирощуванні в умовах обмеженого вмісту азоту в ґрунті», — пишуть дослідники в статті. «Наші результати підтверджують маніпуляції шляхом біосинтезу флавоноїдів як спосіб індукції біологічної фіксації азоту в зернах і зниження вмісту неорганічного азоту. Використання добрив. Реальні стратегії».
Інші рослини також можуть використовувати цей шлях. Університет Каліфорнії подав заявку на отримання патенту на цю технологію і зараз очікує його отримання. Дослідження було профінансовано Фондом Уілла В. Лестера. Крім того, Bayer CropScience підтримує подальші дослідження на цю тему.
«Азотні добрива дуже, дуже дорогі», — сказав Блумвальд. «Важливо все, що може усунути ці витрати. З одного боку, це питання грошей, але азот також шкідливо впливає на навколишнє середовище».
Велика частина внесених добрив втрачається, просочуючись у ґрунт і підземні води. Відкриття Блюмвальда може допомогти захистити навколишнє середовище, зменшивши забруднення азотом. «Це може забезпечити сталу альтернативну практику землеробства, яка зменшить використання надлишку азотних добрив», — сказав він.