Dr. Eduardo Blumwald (rechts) en Akhilesh Yadav, Ph.D., en andere leden van hun team aan de Universiteit van Californië, Davis, hebben rijst gemodificeerd om bodembacteriën aan te moedigen meer stikstof te produceren die planten kunnen gebruiken. [Trina Kleist/UC Davis]
Onderzoekers hebben CRISPR gebruikt om rijstplanten genetisch te modificeren, zodat bodembacteriën de stikstof binden die ze nodig hebben voor hun groei. Deze bevindingen zouden de hoeveelheid stikstofmeststof die nodig is voor de teelt van gewassen kunnen verminderen, waardoor Amerikaanse boeren jaarlijks miljarden dollars besparen en het milieu wordt ontlast door de vermindering van stikstofvervuiling.
"Planten zijn ongelooflijke chemische fabrieken," aldus dr. Eduardo Blumwald, hoogleraar plantwetenschappen aan de Universiteit van Californië, Davis, die het onderzoek leidde. Zijn team gebruikte CRISPR om de afbraak van apigenine in rijst te bevorderen. Ze ontdekten dat apigenine en andere verbindingen bacteriële stikstofbinding veroorzaken.
Hun werk werd gepubliceerd in het tijdschrift Plant Biotechnology (“Genetische modificatie van de flavonoïdebiosynthese in rijst verbetert de biofilmvorming en de biologische stikstofbinding door stikstofbindende bacteriën in de bodem”).
Stikstof is essentieel voor plantengroei, maar planten kunnen stikstof uit de lucht niet rechtstreeks omzetten in een bruikbare vorm. In plaats daarvan zijn planten afhankelijk van de opname 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 stoffen kunnen produceren waarmee bodembacteriën stikstof uit de atmosfeer kunnen binden, kunnen we planten genetisch modificeren om meer van deze stoffen te produceren," zei hij. "Deze stoffen stimuleren bodembacteriën om stikstof te binden 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 te identificeren – apigenine en andere flavonoïden – die de stikstofbindende activiteit van de bacteriën versterken.
Vervolgens identificeerden ze de processen die de chemicaliën produceren en gebruikten ze CRISPR-genbewerkingstechnologie om de productie van stoffen te verhogen die de biofilmvorming stimuleren. Deze biofilms bevatten bacteriën die de stikstofomzetting bevorderen. Hierdoor neemt de stikstofbindende activiteit van de bacteriën toe en stijgt de hoeveelheid ammonium die beschikbaar is voor de plant.
"Verbeterde rijstplanten vertoonden een hogere graanopbrengst wanneer ze werden geteeld onder omstandigheden met een beperkte hoeveelheid stikstof in de bodem", schreven de onderzoekers in het artikel. "Onze resultaten ondersteunen de manipulatie van het flavonoïde-biosynthesepad als een manier om biologische stikstofbinding in granen te induceren en het gehalte aan anorganische stikstof te verlagen. Meststofgebruik. Echte strategieën."
Ook andere planten kunnen deze route gebruiken. De Universiteit van Californië heeft een patent aangevraagd voor de technologie en wacht momenteel op de toekenning ervan. Het onderzoek werd gefinancierd door de Will W. Lester Foundation. Daarnaast ondersteunt Bayer CropScience verder onderzoek naar dit onderwerp.
"Stikstofmeststoffen zijn ontzettend duur", aldus Blumwald. "Alles wat die kosten kan verlagen is belangrijk. Enerzijds is het een kwestie van geld, maar stikstof heeft ook schadelijke gevolgen voor het milieu."
Het grootste deel van de toegepaste meststoffen gaat verloren doordat ze in de bodem en het grondwater sijpelen. De ontdekking van Blumwald zou het milieu kunnen helpen beschermen door stikstofvervuiling te verminderen. "Dit zou een duurzame alternatieve landbouwmethode kunnen bieden die het gebruik van overtollige stikstofmeststoffen vermindert", aldus Blumwald.