Dr. Eduardo Blumwald (til hægri) og Akhilesh Yadav, Ph.D., ásamt öðrum meðlimum teymis þeirra við Háskólann í Kaliforníu í Davis, breyttu hrísgrjónum til að hvetja jarðvegsbakteríur til að framleiða meira köfnunarefni sem plöntur geta nýtt sér. [Trina Kleist/UC Davis]
Rannsakendur notuðu CRISPR til að breyta hrísgrjónum til að hvetja jarðvegsbakteríur til að binda köfnunarefnið sem þarf til vaxtar þeirra. Niðurstöðurnar gætu dregið úr magni köfnunarefnisáburðar sem þarf til að rækta uppskeru, sem sparar bandarískum bændum milljarða dollara á hverju ári og gagnast umhverfinu með því að draga úr köfnunarefnismengun.
„Plöntur eru ótrúlegar efnaverksmiðjur,“ sagði Dr. Eduardo Blumwald, virtur prófessor í plöntuvísindum við Háskólann í Kaliforníu í Davis, sem leiddi rannsóknina. Teymi hans notaði CRISPR til að auka niðurbrot apigeníns í hrísgrjónum. Þeir komust að því að apigenín og önnur efnasambönd valda köfnunarefnisbindingu baktería.
Rannsókn þeirra birtist í tímaritinu Plant Biotechnology („Erfðabreyting á myndun flavóníða í hrísgrjónum eykur myndun líffilmu og líffræðilega köfnunarefnisbindingu með köfnunarefnisbindandi bakteríum í jarðvegi“).
Köfnunarefni er nauðsynlegt fyrir vöxt plantna, en plöntur geta ekki breytt köfnunarefni beint úr loftinu í nýtanlegt form. Þess í stað treysta plöntur á að taka upp ólífrænt köfnunarefni, svo sem ammóníak, sem bakteríur í jarðveginum framleiða. Landbúnaðarframleiðsla byggist á notkun köfnunarefnisríks áburðar til að auka framleiðni plantna.
„Ef plöntur geta framleitt efni sem gera jarðvegsbakteríum kleift að binda köfnunarefni í andrúmsloftinu, getum við hannað plöntur til að framleiða meira af þessum efnum,“ sagði hann. „Þessi efni hvetja jarðvegsbakteríur til að binda köfnunarefni og plöntur nota ammóníakið sem myndast, og þar með minnka þörfina fyrir efnaáburð.“
Teymi Broomwalds notaði efnagreiningar og erfðafræði til að bera kennsl á efnasambönd í hrísgrjónaplöntum – apigenín og önnur flavonoid – sem auka köfnunarefnisbindingargetu bakteríanna.
Þeir fundu síðan leiðir til að framleiða efnin og notuðu CRISPR genabreytingartækni til að auka framleiðslu efnasambanda sem örva myndun líffilmu. Þessar líffilmur innihalda bakteríur sem auka köfnunarefnisumbreytingu. Fyrir vikið eykst köfnunarefnisbindingarvirkni baktería og magn ammoníaks sem er tiltækt fyrir plöntuna eykst.
„Bættar hrísgrjónaplöntur sýndu aukna kornuppskeru þegar þær voru ræktaðar við köfnunarefnistakmörkuð skilyrði í jarðvegi,“ skrifuðu vísindamennirnir í greininni. „Niðurstöður okkar styðja stjórnun á lífmyndunarferli flavoníða sem leið til að örva líffræðilega köfnunarefnisbindingu í korni og draga úr ólífrænu köfnunarefnisinnihaldi. Notkun áburðar. Raunverulegar aðferðir.“
Aðrar plöntur geta einnig notað þessa leið. Háskólinn í Kaliforníu hefur sótt um einkaleyfi á tækninni og bíður nú eftir því. Rannsóknin var fjármögnuð af Will W. Lester stofnuninni. Þar að auki styður Bayer CropScience frekari rannsóknir á þessu efni.
„Köfnunarefnisáburður er mjög, mjög dýr,“ sagði Blumwald. „Allt sem getur útrýmt þessum kostnaði er mikilvægt. Annars vegar er þetta spurning um peninga, en köfnunarefni hefur einnig skaðleg áhrif á umhverfið.“
Megnið af áburðinum sem notaður er tapast og síast út í jarðveg og grunnvatn. Uppgötvun Blumwalds gæti hjálpað til við að vernda umhverfið með því að draga úr köfnunarefnismengun. „Þetta gæti boðið upp á sjálfbæra valkosta í landbúnaðarframleiðslu sem myndi draga úr notkun umfram köfnunarefnisáburðar,“ sagði hann.