Dr. Eduardo Blumwald (rechts) en Akhilesh Yadav, Ph.D., en andere leden van hun team aan de Universiteit van Californië, Davis, hebben rijst aangepast om bodembacteriën aan te moedigen meer stikstof te produceren die planten kunnen gebruiken. [Trina Kleist/UC Davis]
Onderzoekers gebruikten CRISPR om rijst te ontwikkelen om bodembacteriën aan te moedigen de stikstof vast te leggen die nodig is voor hun groei. De bevindingen zouden de hoeveelheid stikstofkunstmest die nodig is om gewassen te verbouwen kunnen verminderen, waardoor Amerikaanse boeren jaarlijks miljarden dollars kunnen besparen en het milieu ten goede kan komen door de stikstofvervuiling te verminderen.
“Planten zijn ongelooflijke chemische fabrieken”, zegt dr. Eduardo Blumwald, hoogleraar plantenwetenschappen aan de Universiteit van Californië, Davis, die het onderzoek leidde. Zijn team gebruikte CRISPR om de afbraak van apigenine in rijst te verbeteren. Ze ontdekten dat apigenine en andere verbindingen bacteriële stikstoffixatie veroorzaken.
Hun werk werd gepubliceerd in het tijdschrift Plant Biotechnology (“Genetische modificatie van de biosynthese van rijstflavonoïden verbetert de vorming van biofilms en de biologische stikstoffixatie door stikstofbindende bacteriën in de bodem”).
Stikstof is essentieel voor de plantengroei, maar planten kunnen stikstof uit de lucht niet direct omzetten in een vorm die ze kunnen gebruiken. In plaats daarvan vertrouwen planten op het absorberen van anorganische stikstof, zoals ammoniak, geproduceerd door bacteriën in de bodem. De landbouwproductie is gebaseerd op het gebruik van stikstofhoudende meststoffen om de productiviteit van planten te verhogen.
“Als planten chemicaliën kunnen produceren waarmee bodembacteriën stikstof uit de lucht kunnen fixeren, kunnen we planten zo maken dat ze meer van deze chemicaliën kunnen produceren,” zei hij. “Deze chemicaliën moedigen bodembacteriën aan om stikstof vast te leggen en planten gebruiken het resulterende ammonium, waardoor de behoefte aan kunstmest afneemt.”
Het team van Broomwald gebruikte chemische analyse en genomica om verbindingen in rijstplanten – apigenine en andere flavonoïden – te identificeren die de stikstofbindende activiteit van de bacterie versterken.
Vervolgens identificeerden ze routes voor de productie van de chemicaliën en gebruikten ze CRISPR-genbewerkingstechnologie om de productie van verbindingen die de vorming van biofilms stimuleren te verhogen. Deze biofilms bevatten bacteriën die de stikstoftransformatie bevorderen. Als gevolg hiervan neemt de stikstofbindende activiteit van bacteriën toe en neemt de hoeveelheid ammonium die beschikbaar is voor de plant toe.
“Verbeterde rijstplanten vertoonden een hogere graanopbrengst als ze werden gekweekt onder stikstofbeperkte omstandigheden in de bodem”, schreven de onderzoekers in de krant. “Onze resultaten ondersteunen manipulatie van de biosyntheseroute van flavonoïden als een manier om biologische stikstoffixatie in granen te induceren en het anorganische stikstofgehalte te verminderen. Gebruik van kunstmest. Echte strategieën.”
Ook andere planten kunnen deze route gebruiken. De Universiteit van Californië heeft patent op de technologie aangevraagd en wacht daar momenteel op. Het onderzoek werd gefinancierd door de Will W. Lester Foundation. Daarnaast ondersteunt Bayer CropScience verder onderzoek op dit onderwerp.
“Stikstofmeststoffen zijn heel erg duur”, zegt Blumwald. “Alles wat deze kosten kan elimineren is belangrijk. Enerzijds is het een kwestie van geld, maar stikstof heeft ook schadelijke effecten op het milieu.”
Het merendeel van de toegepaste meststoffen gaat verloren en sijpelt in de bodem en het grondwater. De ontdekking van Blumwald zou kunnen helpen het milieu te beschermen door de stikstofvervuiling te verminderen. “Dit zou een duurzame alternatieve landbouwpraktijk kunnen opleveren die het gebruik van overtollige stikstofkunstmest zou verminderen”, zei hij.