Dr. Eduardo Blumwald (kanan) dan Akhilesh Yadav, Ph.D., dan ahli pasukan mereka yang lain di University of California, Davis, mengubah suai beras untuk menggalakkan bakteria tanah menghasilkan lebih banyak nitrogen yang boleh digunakan oleh tumbuhan. [Trina Kleist/UC Davis]
Penyelidik menggunakan CRISPR untuk merekayasa beras untuk menggalakkan bakteria tanah membetulkan nitrogen yang diperlukan untuk pertumbuhan mereka. Penemuan itu boleh mengurangkan jumlah baja nitrogen yang diperlukan untuk menanam tanaman, menjimatkan berbilion dolar petani Amerika setiap tahun dan memanfaatkan alam sekitar dengan mengurangkan pencemaran nitrogen.
"Tumbuhan adalah kilang kimia yang luar biasa," kata Dr Eduardo Blumwald, profesor sains tumbuhan yang terkenal di University of California, Davis, yang mengetuai kajian itu. Pasukannya menggunakan CRISPR untuk meningkatkan pecahan apigenin dalam beras. Mereka mendapati apigenin dan sebatian lain menyebabkan penetapan nitrogen bakteria.
Kerja mereka telah diterbitkan dalam jurnal Plant Biotechnology ("Pengubahsuaian genetik biosintesis flavonoid beras meningkatkan pembentukan biofilm dan penetapan nitrogen biologi oleh bakteria pengikat nitrogen tanah").
Nitrogen adalah penting untuk pertumbuhan tumbuhan, tetapi tumbuhan tidak boleh secara langsung menukar nitrogen dari udara ke dalam bentuk yang boleh mereka gunakan. Sebaliknya, tumbuhan bergantung pada penyerapan nitrogen bukan organik, seperti ammonia, yang dihasilkan oleh bakteria di dalam tanah. Pengeluaran pertanian adalah berdasarkan penggunaan baja yang mengandungi nitrogen untuk meningkatkan produktiviti tumbuhan.
"Jika tumbuhan boleh menghasilkan bahan kimia yang membolehkan bakteria tanah membetulkan nitrogen atmosfera, kita boleh merekayasa tumbuhan untuk menghasilkan lebih banyak bahan kimia ini," katanya. "Bahan kimia ini menggalakkan bakteria tanah membetulkan nitrogen dan tumbuhan menggunakan ammonium yang terhasil, dengan itu mengurangkan keperluan untuk baja kimia."
Pasukan Broomwald menggunakan analisis kimia dan genomik untuk mengenal pasti sebatian dalam tumbuhan padi – apigenin dan flavonoid lain – yang meningkatkan aktiviti penetapan nitrogen bakteria.
Mereka kemudiannya mengenal pasti laluan untuk menghasilkan bahan kimia dan menggunakan teknologi penyuntingan gen CRISPR untuk meningkatkan pengeluaran sebatian yang merangsang pembentukan biofilm. Biofilm ini mengandungi bakteria yang meningkatkan transformasi nitrogen. Akibatnya, aktiviti penetapan nitrogen bakteria meningkat dan jumlah ammonium yang tersedia untuk tumbuhan meningkat.
"Tumbuhan padi yang lebih baik menunjukkan peningkatan hasil bijirin apabila ditanam di bawah keadaan terhad nitrogen tanah," tulis para penyelidik dalam kertas itu. "Hasil kami menyokong manipulasi laluan biosintesis flavonoid sebagai cara untuk mendorong penetapan nitrogen biologi dalam bijirin dan mengurangkan kandungan nitrogen bukan organik. Penggunaan baja. Strategi Sebenar.”
Tumbuhan lain juga boleh menggunakan laluan ini. Universiti California telah memohon paten ke atas teknologi tersebut dan sedang menunggunya. Penyelidikan ini dibiayai oleh Yayasan Will W. Lester. Di samping itu, Bayer CropScience menyokong penyelidikan lanjut mengenai topik ini.
"Baja nitrogen sangat, sangat mahal," kata Blumwald. “Apa sahaja yang boleh menghapuskan kos tersebut adalah penting. Di satu pihak, ia adalah soal wang, tetapi nitrogen juga mempunyai kesan berbahaya kepada alam sekitar.”
Kebanyakan baja yang digunakan hilang, meresap ke dalam tanah dan air bawah tanah. Penemuan Blumwald boleh membantu melindungi alam sekitar dengan mengurangkan pencemaran nitrogen. "Ini boleh menyediakan amalan pertanian alternatif yang mampan yang akan mengurangkan penggunaan baja nitrogen yang berlebihan," katanya.