Ο Δρ. Eduardo Blumwald (δεξιά) και ο Akhilesh Yadav, Ph.D., και άλλα μέλη της ομάδας τους στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, στο Ντέιβις, 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 τροποποιήσουν το ρύζι, ενθαρρύνοντας τα βακτήρια του εδάφους να δεσμεύσουν το άζωτο που απαιτείται για την ανάπτυξή τους. Τα ευρήματα θα μπορούσαν να μειώσουν την ποσότητα αζωτούχου λιπάσματος που απαιτείται για την καλλιέργεια καλλιεργειών, εξοικονομώντας στους Αμερικανούς αγρότες δισεκατομμύρια δολάρια κάθε χρόνο και ωφελώντας το περιβάλλον μειώνοντας τη ρύπανση από άζωτο.
«Τα φυτά είναι απίστευτα χημικά εργοστάσια», δήλωσε 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 την αποικοδόμηση της απιγενίνης στο ρύζι. Διαπίστωσαν ότι η απιγενίνη και άλλες ενώσεις προκαλούν βακτηριακή δέσμευση αζώτου.
Η εργασία τους δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Plant Biotechnology (“Η γενετική τροποποίηση της βιοσύνθεσης φλαβονοειδών του ρυζιού ενισχύει τον σχηματισμό βιοφίλμ και τη βιολογική δέσμευση αζώτου από βακτήρια που δεσμεύουν άζωτο στο έδαφος”).
Το άζωτο είναι απαραίτητο για την ανάπτυξη των φυτών, αλλά τα φυτά δεν μπορούν να μετατρέψουν απευθείας το άζωτο από τον αέρα σε 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 δεσμεύουν το ατμοσφαιρικό άζωτο, μπορούμε να τροποποιήσουμε τα φυτά ώστε να παράγουν περισσότερες από αυτές τις χημικές ουσίες», είπε. «Αυτές οι χημικές ουσίες ενθαρρύνουν τα βακτήρια του εδάφους να δεσμεύουν το άζωτο και τα φυτά χρησιμοποιούν το αμμώνιο που προκύπτει, μειώνοντας έτσι την ανάγκη για χημικά λιπάσματα».
Η ομάδα του Μπρούμβαλντ χρησιμοποίησε χημική ανάλυση και γονιδιωματική για να εντοπίσει ενώσεις στα φυτά ρυζιού - την απιγενίνη και άλλα φλαβονοειδή - που ενισχύουν τη δράση δέσμευσης αζώτου των βακτηρίων.
Στη συνέχεια, εντόπισαν οδούς για την παραγωγή των χημικών ουσιών και χρησιμοποίησαν την τεχνολογία επεξεργασίας γονιδίων CRISPR για να αυξήσουν την παραγωγή ενώσεων που διεγείρουν τον σχηματισμό βιοφίλμ. Αυτά τα βιοφίλμ περιέχουν βακτήρια που ενισχύουν τον μετασχηματισμό του αζώτου. Ως αποτέλεσμα, η δραστηριότητα δέσμευσης 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 υπό συνθήκες περιορισμένου αζώτου στο έδαφος», έγραψαν οι ερευνητές στην εργασία. «Τα αποτελέσματά μας υποστηρίζουν τον χειρισμό της οδού βιοσύνθεσης φλαβονοειδών ως τρόπο πρόκλησης βιολογικής δέσμευσης αζώτου στους κόκκους και μείωσης της περιεκτικότητας σε ανόργανο άζωτο. Χρήση λιπασμάτων. Πραγματικές στρατηγικές.»
Άλλα φυτά μπορούν επίσης να χρησιμοποιήσουν αυτήν την οδό. 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 επί του θέματος.
«Τα αζωτούχα λιπάσματα είναι πολύ, πολύ ακριβά», είπε ο Μπλούμβαλντ. «Οτιδήποτε μπορεί να εξαλείψει αυτά τα κόστη είναι σημαντικό. Από τη μία πλευρά, 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 υπερβολικών αζωτούχων λιπασμάτων», είπε.