Ο Δρ Eduardo Blumwald (δεξιά) και ο Akhilesh Yadav, Ph.D., και άλλα μέλη της ομάδας τους στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, στο Davis, τροποποίησαν το ρύζι για να ενθαρρύνουν τα βακτήρια του εδάφους να παράγουν περισσότερο άζωτο που μπορούν να χρησιμοποιήσουν τα φυτά. [Trina Kleist/UC Davis]
Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν το CRISPR για να κατασκευάσουν το ρύζι για να ενθαρρύνουν τα βακτήρια του εδάφους να διορθώσουν το άζωτο που απαιτείται για την ανάπτυξή τους. Τα ευρήματα θα μπορούσαν να μειώσουν την ποσότητα αζωτούχου λιπάσματος που απαιτείται για την καλλιέργεια των καλλιεργειών, εξοικονομώντας δισεκατομμύρια δολάρια στους Αμερικανούς αγρότες κάθε χρόνο και ωφελώντας το περιβάλλον μειώνοντας τη ρύπανση από άζωτο.
«Τα φυτά είναι απίστευτα χημικά εργοστάσια», είπε ο Δρ Εντουάρντο Μπλούμβαλντ, διακεκριμένος καθηγητής φυτοεπιστημών στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, Ντέιβις, ο οποίος ηγήθηκε της μελέτης. Η ομάδα του χρησιμοποίησε το CRISPR για να ενισχύσει τη διάσπαση της απιγενίνης στο ρύζι. Βρήκαν ότι η απιγενίνη και άλλες ενώσεις προκαλούν δέσμευση βακτηριακού αζώτου.
Η εργασία τους δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Plant Biotechnology («Γενετική τροποποίηση της βιοσύνθεσης φλαβονοειδών ρυζιού ενισχύει τον σχηματισμό βιοφίλμ και τη βιολογική δέσμευση αζώτου από βακτήρια που δεσμεύουν το άζωτο του εδάφους»).
Το άζωτο είναι απαραίτητο για την ανάπτυξη των φυτών, αλλά τα φυτά δεν μπορούν να μετατρέψουν απευθείας το άζωτο από τον αέρα σε μια μορφή που μπορούν να χρησιμοποιήσουν. Αντίθετα, τα φυτά βασίζονται στην απορρόφηση ανόργανου αζώτου, όπως η αμμωνία, που παράγεται από βακτήρια στο έδαφος. Η γεωργική παραγωγή βασίζεται στη χρήση λιπασμάτων που περιέχουν άζωτο για την αύξηση της παραγωγικότητας των φυτών.
«Εάν τα φυτά μπορούν να παράγουν χημικές ουσίες που επιτρέπουν στα βακτήρια του εδάφους να σταθεροποιούν το ατμοσφαιρικό άζωτο, μπορούμε να κατασκευάσουμε τα φυτά να παράγουν περισσότερες από αυτές τις χημικές ουσίες», είπε. «Αυτές οι χημικές ουσίες ενθαρρύνουν τα βακτήρια του εδάφους να σταθεροποιήσουν το άζωτο και τα φυτά χρησιμοποιούν το αμμώνιο που προκύπτει, μειώνοντας έτσι την ανάγκη για χημικά λιπάσματα».
Η ομάδα του Broomwald χρησιμοποίησε χημική ανάλυση και γονιδιωματική για να αναγνωρίσει ενώσεις στα φυτά του ρυζιού –απιγενίνη και άλλα φλαβονοειδή– που ενισχύουν τη δραστηριότητα δέσμευσης του αζώτου των βακτηρίων.
Στη συνέχεια εντόπισαν μονοπάτια για την παραγωγή των χημικών ουσιών και χρησιμοποίησαν την τεχνολογία επεξεργασίας γονιδίων CRISPR για να αυξήσουν την παραγωγή ενώσεων που διεγείρουν το σχηματισμό βιοφίλμ. Αυτά τα βιοφίλμ περιέχουν βακτήρια που ενισχύουν τον μετασχηματισμό του αζώτου. Ως αποτέλεσμα, η δραστηριότητα δέσμευσης του αζώτου των βακτηρίων αυξάνεται και η ποσότητα αμμωνίου που είναι διαθέσιμη στο φυτό αυξάνεται.
«Τα βελτιωμένα φυτά ρυζιού έδειξαν αυξημένη απόδοση σε κόκκους όταν καλλιεργήθηκαν σε συνθήκες περιορισμένου αζώτου του εδάφους», έγραψαν οι ερευνητές στο έγγραφο. «Τα αποτελέσματά μας υποστηρίζουν τον χειρισμό της οδού βιοσύνθεσης φλαβονοειδών ως τρόπο πρόκλησης βιολογικής δέσμευσης αζώτου στους κόκκους και μείωση της περιεκτικότητας σε ανόργανο άζωτο. Χρήση λιπασμάτων. Πραγματικές Στρατηγικές."
Άλλα φυτά μπορούν επίσης να χρησιμοποιήσουν αυτή τη διαδρομή. Το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια έχει υποβάλει αίτηση για δίπλωμα ευρεσιτεχνίας για την τεχνολογία και αυτή τη στιγμή την αναμένει. Η έρευνα χρηματοδοτήθηκε από το Ίδρυμα Will W. Lester. Επιπλέον, η Bayer CropScience υποστηρίζει περαιτέρω έρευνα για αυτό το θέμα.
«Τα αζωτούχα λιπάσματα είναι πολύ, πολύ ακριβά», είπε ο Blumwald. «Οτιδήποτε μπορεί να εξαλείψει αυτά τα κόστη είναι σημαντικό. Από τη μία, είναι θέμα χρημάτων, αλλά το άζωτο έχει επίσης επιβλαβείς επιπτώσεις στο περιβάλλον».
Τα περισσότερα από τα εφαρμοζόμενα λιπάσματα χάνονται, διαρρέοντας στο έδαφος και τα υπόγεια ύδατα. Η ανακάλυψη του Blumwald θα μπορούσε να βοηθήσει στην προστασία του περιβάλλοντος μειώνοντας τη ρύπανση από άζωτο. «Αυτό θα μπορούσε να προσφέρει μια βιώσιμη εναλλακτική γεωργική πρακτική που θα μείωνε τη χρήση περίσσειας αζωτούχων λιπασμάτων», είπε.