Dr. Eduardo Blumwald (rechts) und Akhilesh Yadav, Ph.D., und andere Mitglieder ihres Teams an der University of California, Davis, modifizierten Reis, um Bodenbakterien dazu anzuregen, mehr Stickstoff zu produzieren, den Pflanzen nutzen können. [Trina Kleist/UC Davis]
Forscher nutzten CRISPR, um Reis so zu manipulieren, dass er Bodenbakterien dazu anregt, den für ihr Wachstum benötigten Stickstoff zu binden. Die Ergebnisse könnten die Menge an Stickstoffdünger reduzieren, die für den Anbau von Nutzpflanzen benötigt wird, wodurch amerikanische Landwirte jedes Jahr Milliarden von Dollar einsparen und der Umwelt durch die Verringerung der Stickstoffverschmutzung zugute kommen.
„Pflanzen sind unglaubliche Chemiefabriken“, sagte Dr. Eduardo Blumwald, angesehener Professor für Pflanzenwissenschaften an der University of California in Davis, der die Studie leitete. Sein Team nutzte CRISPR, um den Abbau von Apigenin in Reis zu verbessern. Sie fanden heraus, dass Apigenin und andere Verbindungen eine bakterielle Stickstofffixierung bewirken.
Ihre Arbeit wurde in der Zeitschrift Plant Biotechnology veröffentlicht („Genetische Modifikation der Reisflavonoid-Biosynthese verstärkt die Biofilmbildung und die biologische Stickstofffixierung durch stickstofffixierende Bakterien im Boden“).
Stickstoff ist für das Pflanzenwachstum unerlässlich, aber Pflanzen können Stickstoff aus der Luft nicht direkt in eine für sie verwertbare Form umwandeln. Stattdessen sind Pflanzen auf die Aufnahme von anorganischem Stickstoff wie Ammoniak angewiesen, der von Bakterien im Boden produziert wird. Die landwirtschaftliche Produktion basiert auf dem Einsatz stickstoffhaltiger Düngemittel zur Steigerung der Pflanzenproduktivität.
„Wenn Pflanzen Chemikalien produzieren können, die es Bodenbakterien ermöglichen, Luftstickstoff zu binden, können wir Pflanzen so konstruieren, dass sie mehr dieser Chemikalien produzieren“, sagte er. „Diese Chemikalien regen Bodenbakterien dazu an, Stickstoff zu binden, und Pflanzen nutzen das entstehende Ammonium, wodurch der Bedarf an chemischen Düngemitteln verringert wird.“
Broomwalds Team identifizierte mithilfe chemischer Analysen und Genomik Verbindungen in Reispflanzen – Apigenin und andere Flavonoide –, die die Stickstofffixierungsaktivität der Bakterien steigern.
Anschließend identifizierten sie Wege zur Herstellung der Chemikalien und nutzten die CRISPR-Genbearbeitungstechnologie, um die Produktion von Verbindungen zu steigern, die die Biofilmbildung stimulieren. Diese Biofilme enthalten Bakterien, die die Stickstoffumwandlung fördern. Dadurch steigt die stickstofffixierende Aktivität der Bakterien und die der Pflanze zur Verfügung stehende Ammoniummenge steigt.
„Verbesserte Reispflanzen zeigten einen höheren Getreideertrag, wenn sie unter stickstoffarmen Bedingungen im Boden angebaut wurden“, schrieben die Forscher in der Arbeit. „Unsere Ergebnisse unterstützen die Manipulation des Flavonoid-Biosynthesewegs als eine Möglichkeit, die biologische Stickstofffixierung in Körnern zu induzieren und den anorganischen Stickstoffgehalt zu reduzieren. Verwendung von Düngemitteln. Echte Strategien.“
Auch andere Anlagen können diesen Weg nutzen. Die University of California hat ein Patent für die Technologie angemeldet und wartet derzeit darauf. Die Forschung wurde von der Will W. Lester Foundation finanziert. Darüber hinaus unterstützt Bayer CropScience weitere Forschung zu diesem Thema.
„Stickstoffdünger sind sehr, sehr teuer“, sagte Blumwald. „Alles, was diese Kosten eliminieren kann, ist wichtig. Einerseits ist es eine Frage des Geldes, aber Stickstoff hat auch schädliche Auswirkungen auf die Umwelt.“
Der Großteil der ausgebrachten Düngemittel geht verloren und versickert im Boden und im Grundwasser. Blumwalds Entdeckung könnte zum Schutz der Umwelt beitragen, indem sie die Stickstoffbelastung verringert. „Dies könnte eine nachhaltige alternative landwirtschaftliche Praxis darstellen, die den Einsatz von überschüssigem Stickstoffdünger reduzieren würde“, sagte er.