Dr. Eduardo Blumwald (desno) in dr. Akhilesh Yadav ter drugi člani njihove ekipe na kalifornijski univerzi v Davisu so spremenili riž, da bi spodbudili bakterije v tleh, da proizvajajo več dušika, ki ga rastline lahko uporabijo. [Trina Kleist/UC Davis]
Raziskovalci so uporabili CRISPR za inženiring riža za spodbujanje talnih bakterij, da fiksirajo dušik, potreben za njihovo rast. Ugotovitve bi lahko zmanjšale količino dušikovih gnojil, potrebnih za pridelavo pridelkov, s čimer bi ameriškim kmetom vsako leto prihranili milijarde dolarjev in koristili okolju z zmanjšanjem onesnaženosti z dušikom.
»Rastline so neverjetne kemične tovarne,« je povedal dr. Eduardo Blumwald, ugledni profesor znanosti o rastlinah na kalifornijski univerzi Davis, ki je vodil študijo. Njegova ekipa je uporabila CRISPR za izboljšanje razgradnje apigenina v rižu. Ugotovili so, da apigenin in druge spojine povzročajo bakterijsko fiksacijo dušika.
Njihovo delo je bilo objavljeno v reviji Plant Biotechnology ("Genetska modifikacija biosinteze riževih flavonoidov povečuje tvorbo biofilma in biološko fiksacijo dušika z bakterijami, ki vežejo dušik v tleh").
Dušik je bistvenega pomena za rast rastlin, vendar rastline dušika iz zraka ne morejo neposredno pretvoriti v obliko, ki bi jo lahko uporabile. Namesto tega se rastline zanašajo na absorpcijo anorganskega dušika, kot je amoniak, ki ga proizvajajo bakterije v tleh. Kmetijska proizvodnja temelji na uporabi gnojil, ki vsebujejo dušik, za povečanje produktivnosti rastlin.
"Če lahko rastline proizvedejo kemikalije, ki omogočajo bakterijam v tleh, da vežejo atmosferski dušik, lahko izdelamo rastline, da proizvajajo več teh kemikalij," je dejal. "Te kemikalije spodbujajo bakterije v tleh, da vežejo dušik, rastline pa uporabijo nastali amonij in tako zmanjšajo potrebo po kemičnih gnojilih."
Broomwaldova ekipa je uporabila kemijsko analizo in genomiko za identifikacijo spojin v riževih rastlinah – apigenin in drugi flavonoidi – ki povečujejo aktivnost bakterij, ki vežejo dušik.
Nato so identificirali poti za proizvodnjo kemikalij in uporabili tehnologijo za urejanje genov CRISPR za povečanje proizvodnje spojin, ki spodbujajo tvorbo biofilma. Ti biofilmi vsebujejo bakterije, ki pospešujejo transformacijo dušika. Posledično se poveča aktivnost bakterij na vezavi dušika in poveča se količina amonija, ki je na voljo rastlini.
"Izboljšane rastline riža so pokazale povečan pridelek zrnja, ko so rasle v pogojih z omejeno vsebnostjo dušika v tleh," so raziskovalci zapisali v članku. »Naši rezultati podpirajo manipulacijo poti biosinteze flavonoidov kot načina za induciranje biološke fiksacije dušika v zrnih in zmanjšanje vsebnosti anorganskega dušika. Uporaba gnojila. Prave strategije."
To pot lahko uporabljajo tudi druge rastline. Univerza v Kaliforniji je zaprosila za patent za tehnologijo in trenutno čaka nanj. Raziskavo je financirala fundacija Will W. Lester. Poleg tega Bayer CropScience podpira nadaljnje raziskave na to temo.
"Dušikova gnojila so zelo, zelo draga," je dejal Blumwald. »Vse, kar lahko odpravi te stroške, je pomembno. Po eni strani gre za vprašanje denarja, dušik pa ima tudi škodljive vplive na okolje.”
Večina uporabljenih gnojil se izgubi in prodre v tla in podtalnico. Blumwaldovo odkritje bi lahko pomagalo zaščititi okolje z zmanjšanjem onesnaženosti z dušikom. "To bi lahko zagotovilo trajnostno alternativno kmetijsko prakso, ki bi zmanjšala uporabo presežka dušikovih gnojil," je dejal.