Dr. Eduardo Blumwald (til hægri) og Akhilesh Yadav, Ph.D., og aðrir liðsmenn þeirra við háskólann í Kaliforníu, Davis, breyttu hrísgrjónum til að hvetja jarðvegsbakteríur til að framleiða meira köfnunarefni sem plöntur geta notað. [Trina Kleist/UC Davis]
Vísindamenn notuðu CRISPR til að þróa hrísgrjón til að hvetja jarðvegsbakteríur til að laga köfnunarefnið sem þarf fyrir vöxt þeirra. Niðurstöðurnar gætu dregið úr magni köfnunarefnisáburðar sem þarf til að rækta uppskeru, spara 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, Davis, sem stýrði rannsókninni. Lið hans notaði CRISPR til að auka niðurbrot apigenins í hrísgrjónum. Þeir komust að því að apigenin og önnur efnasambönd valda köfnunarefnisbindingu baktería.
Verk þeirra voru birt í tímaritinu Plant Biotechnology ("Erfðabreyting á hrísgrjónaflavonoid lífmyndun eykur myndun líffilmu og líffræðilega köfnunarefnisbindingu með köfnunarefnisbindandi bakteríum í jarðvegi").
Köfnunarefni er nauðsynlegt fyrir vöxt plantna, en plöntur geta ekki beint umbreytt köfnunarefni úr loftinu í form sem þær geta notað. Þess í stað treysta plöntur á að taka upp ólífrænt köfnunarefni, eins og ammoníak, framleitt af bakteríum í jarðvegi. Landbúnaðarframleiðsla byggir á notkun áburðar sem inniheldur köfnunarefni til að auka framleiðni plantna.
„Ef plöntur geta framleitt efni sem gera jarðvegsbakteríum kleift að laga 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 ammóníumið sem myndast og dregur þannig úr þörfinni fyrir efnafræðilegan áburð.
Teymi Broomwalds notaði efnagreiningu og erfðafræði til að bera kennsl á efnasambönd í hrísgrjónaplöntum – apigenin og önnur flavonoids – sem auka köfnunarefnisbindandi virkni bakteríanna.
Þeir greindu 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 umbreytingu köfnunarefnis. Fyrir vikið eykst köfnunarefnisbindandi virkni baktería og magn ammóníums sem plöntunni er aðgengilegt eykst.
„Bættar hrísgrjónaplöntur sýndu aukna kornuppskeru þegar þær voru ræktaðar við jarðvegstakmörkuð skilyrði,“ skrifuðu vísindamennirnir í blaðinu. „Niðurstöður okkar styðja meðhöndlun á flavonoid lífmyndunarferlinu sem leið til að framkalla líffræðilega köfnunarefnisbindingu í korni og draga úr ólífrænu niturinnihaldi. Áburðarnotkun. Raunverulegar aðferðir."
Aðrar plöntur geta einnig notað þessa leið. Háskólinn í Kaliforníu hefur sótt um einkaleyfi á tækninni og bíður þess nú. Rannsóknin var styrkt af Will W. Lester Foundation. Að auki styður Bayer CropScience frekari rannsóknir á þessu efni.
„Köfnunarefnisáburður er mjög, mjög dýr,“ sagði Blumwald. „Allt sem getur komið í veg fyrir þennan kostnað er mikilvægt. Annars vegar er þetta spurning um peninga en köfnunarefni hefur líka skaðleg áhrif á umhverfið.“
Mestur áburður sem notaður er tapast og seytlar niður í jarðveginn og grunnvatnið. Uppgötvun Blumwald gæti hjálpað til við að vernda umhverfið með því að draga úr köfnunarefnismengun. „Þetta gæti veitt sjálfbæra aðra búskaparhætti sem myndi draga úr notkun á umfram köfnunarefnisáburði,“ sagði hann.