Dr. Eduardo Blumwald (rechts), Dr. Akhilesh Yadav und weitere Mitglieder ihres Teams an der University of California, Davis, haben Reis so verändert, dass Bodenbakterien mehr Stickstoff produzieren, den Pflanzen nutzen können. [Trina Kleist/UC Davis]
Forscher nutzten CRISPR, um Reis so zu verändern, dass Bodenbakterien den für das Wachstum benötigten Stickstoff binden. Die Ergebnisse könnten den Bedarf an Stickstoffdünger im Pflanzenanbau reduzieren und amerikanischen Landwirten jährlich Milliarden von Dollar einsparen. Gleichzeitig würde die Umwelt durch die Verringerung der Stickstoffbelastung geschont.
„Pflanzen sind unglaubliche Chemiefabriken“, sagte Dr. Eduardo Blumwald, Professor für Pflanzenwissenschaften an der University of California, Davis, der die Studie leitete. Sein Team nutzte CRISPR, um den Abbau von Apigenin in Reis zu beschleunigen. Sie fanden heraus, dass Apigenin und andere Verbindungen die Stickstofffixierung durch Bakterien bewirken.
Ihre Arbeit wurde in der Fachzeitschrift Plant Biotechnology veröffentlicht („Genetische Modifikation der Flavonoidbiosynthese in Reis verstärkt die Biofilmbildung und die biologische Stickstofffixierung durch stickstofffixierende Bodenbakterien“).
Stickstoff ist für das Pflanzenwachstum unerlässlich, doch Pflanzen können ihn nicht direkt aus der Luft in eine für sie nutzbare Form umwandeln. Stattdessen nehmen sie anorganischen Stickstoff, wie beispielsweise Ammoniak, auf, der von Bakterien im Boden produziert wird. Die landwirtschaftliche Produktion basiert auf dem Einsatz stickstoffhaltiger Düngemittel zur Steigerung der Pflanzenproduktivität.
„Wenn Pflanzen chemische Substanzen produzieren können, die es Bodenbakterien ermöglichen, atmosphärischen Stickstoff zu binden, können wir Pflanzen so verändern, dass sie mehr dieser Substanzen produzieren“, sagte er. „Diese Substanzen regen Bodenbakterien zur Stickstofffixierung an, und die Pflanzen nutzen das entstehende Ammonium, wodurch der Bedarf an chemischen Düngemitteln sinkt.“
Broomwalds Team nutzte chemische Analysen und Genomik, um Verbindungen in Reispflanzen zu identifizieren – Apigenin und andere Flavonoide –, die die Stickstofffixierungsaktivität der Bakterien steigern.
Anschließend identifizierten sie Wege zur Herstellung der Chemikalien und nutzten die CRISPR-Genschere, um die Produktion von Verbindungen zu steigern, die die Biofilmbildung anregen. Diese Biofilme enthalten Bakterien, die die Stickstoffumwandlung fördern. Dadurch erhöht sich die Stickstofffixierungsaktivität der Bakterien und die Menge an für die Pflanze verfügbarem Ammonium steigt.
„Verbesserte Reispflanzen zeigten höhere Kornerträge unter stickstofflimitierten Bodenbedingungen“, schrieben die Forscher in ihrer Veröffentlichung. „Unsere Ergebnisse stützen die Annahme, dass die Beeinflussung des Flavonoid-Biosynthesewegs eine Möglichkeit darstellt, die biologische Stickstofffixierung im Korn anzuregen und den Gehalt an anorganischem Stickstoff zu reduzieren. Düngemitteleinsatz. Reale Strategien.“
Auch andere Pflanzen können diesen Weg nutzen. Die University of California hat ein Patent für die Technologie angemeldet und wartet derzeit auf die Entscheidung. Die Forschung wurde von der Will W. Lester Foundation finanziert. Bayer CropScience unterstützt darüber hinaus weitere Forschung zu diesem Thema.
„Stickstoffdünger sind sehr, sehr teuer“, sagte Blumwald. „Alles, was diese Kosten senken kann, ist wichtig. Einerseits geht es ums Geld, aber Stickstoff hat auch schädliche Auswirkungen auf die Umwelt.“
Ein Großteil der ausgebrachten Düngemittel geht verloren, da sie in den Boden und das Grundwasser sickern. Blumwalds Entdeckung könnte zum Umweltschutz beitragen, indem sie die Stickstoffbelastung reduziert. „Dies könnte eine nachhaltige Alternative in der Landwirtschaft darstellen, die den Einsatz von überschüssigem Stickstoffdünger verringern würde“, sagte er.