Доктор Едуардо Блумвальд (праворуч) та Акхілеш Ядав, доктор філософії, а також інші члени їхньої команди з Каліфорнійського університету в Девісі, модифікували рис, щоб стимулювати ґрунтові бактерії виробляти більше азоту, який можуть використовувати рослини. [Тріна Кляйст/UC Davis]
Дослідники використовували CRISPR для модифікації рису, щоб стимулювати ґрунтові бактерії фіксувати азот, необхідний для їхнього росту. Результати дослідження можуть зменшити кількість азотних добрив, необхідних для вирощування сільськогосподарських культур, що заощаджує американським фермерам мільярди доларів щороку та приносить користь навколишньому середовищу, зменшуючи забруднення азотом.
«Рослини – це неймовірні хімічні фабрики», – сказав доктор Едуардо Блюмвальд, заслужений професор рослинництва Каліфорнійського університету в Девісі, який керував дослідженням. Його команда використала CRISPR для посилення розщеплення апігеніну в рисі. Вони виявили, що апігенін та інші сполуки викликають бактеріальну фіксацію азоту.
Їхню роботу було опубліковано в журналі Plant Biotechnology («Генетична модифікація біосинтезу флавоноїдів рису посилює формування 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, що виробляється бактеріями в ґрунті. Сільськогосподарське виробництво базується на використанні азотовмісних добрив для підвищення продуктивності рослин.
«Якщо рослини можуть виробляти хімічні речовини, які дозволяють ґрунтовим бактеріям фіксувати атмосферний азот, ми можемо сконструювати рослини так, щоб вони виробляли більше цих хімічних речовин», – сказав він. «Ці хімічні речовини стимулюють ґрунтові бактерії фіксувати азот, а рослини використовують отриманий амоній, тим самим зменшуючи потребу в хімічних добривах».
Команда Брумвальда використала хімічний аналіз та геноміку для виявлення сполук у рослинах рису – апігеніну та інших флавоноїдів – які посилюють азотфіксуючу активність бактерій.
Потім вони визначили шляхи виробництва цих хімічних речовин і використали технологію редагування генів CRISPR для збільшення виробництва сполук, що стимулюють утворення біоплівок. Ці біоплівки містять бактерії, що посилюють трансформацію азоту. В результаті азотфіксуюча активність бактерій зростає, а кількість амонію, доступного для рослини, збільшується.
«Покращені рослини рису показали підвищений урожай зерна при вирощуванні в умовах обмеженого азоту в ґрунті», – пишуть дослідники у статті. «Наші результати підтверджують маніпуляцію шляхом біосинтезу флавоноїдів як спосіб індукції біологічної фіксації азоту в зернах та зменшення вмісту неорганічного азоту. Використання добрив. Реальні стратегії».
Інші рослини також можуть використовувати цей шлях. Каліфорнійський університет подав заявку на патент на цю технологію і наразі очікує на її отримання. Дослідження фінансувалося Фондом Вілла В. Лестера. Крім того, Bayer CropScience підтримує подальші дослідження з цієї теми.
«Азотні добрива дуже й дуже дорогі», – сказав Блумвальд. «Важливо все, що може усунути ці витрати. З одного боку, це питання грошей, але азот також має шкідливий вплив на навколишнє середовище».
Більшість внесених добрив втрачається, просочуючи ґрунт та ґрунтові води. Відкриття Блумвальда може допомогти захистити навколишнє середовище, зменшивши забруднення азотом. «Це може забезпечити стійку альтернативну практику ведення сільського господарства, яка дозволить зменшити використання надлишку азотних добрив», – сказав він.