Nye fremskridt inden for biologisk fiksering af nitrogen i ris

Forskere fra Center for Plant Biotechnology and Genomics (CBGP, UPM-INIA) er i samarbejde med University of Lleida-Agrotecnio og den catalanske institution for forskning og avancerede studier (ICREA) lykkedes med at producere de første transgene kornsorter, der udtrykker to nøglekomponenter i nitrogenase, enzymet, der fikserer atmosfærisk nitrogen ved at omdanne det til ammoniak.

Hver komponent blev produceret i en separat transgen plantelinje og viste sig at være biologisk aktiv in vitro eller i levende planter. Disse transgene planter kan endnu ikke fikse deres eget nitrogen, fordi der er behov for yderligere komponenter for at rekonstruere det komplette nitrogenase-enzym, men arbejdet er ikke desto mindre banebrydende, fordi det for første gang viser, at det er muligt at udtrykke disse meget iltfølsomme proteiner stabilt i planter, og at proteinerne bevarer deres aktiviteter.

Afgrøder kræver nitrogen for vækst og produktivitet, fordi det er en vigtig bestanddel af DNA, proteiner, klorofyl og energilagringsmolekyler såsom adenosintrifosfat (ATP). De fleste afgrøder er afhængige af forsyninger af nitrat og ammonium fra industrielle syntetiske gødningsstoffer, men mere end halvdelen af ​​disse tilførsler forbliver uassimilerede og løber ud over eller udvaskes i floder og søer som en væsentlig kilde til forurening.

Bælgfrugter som ærter og bønner rummer bakterier, der omdanner nitrogengas direkte til ammoniak ved hjælp af et enzym kaldet nitrogenase. Denne proces er kendt som biologisk nitrogenfiksering. Introduktionen af ​​nitrogenasegener i afgrødeplanter ville give det nødvendige maskineri til uafhængigt at fiksere nitrogen. Processen er imidlertid ekstremt kompleks, fordi mange forskellige individuelle proteiner er nødvendige, ikke kun som de direkte strukturelle komponenter i nitrogenase, men også hjælpeproteiner, der er nødvendige for dets samling og levering af energi. De vigtigste proteinkomponenter er også ekstremt iltfølsomme.

Forskerne overvandt denne kritiske flaskehals ved at producere funktionel dinitrogenase reduktase (Fe protein, NifH) og nitrogenase cofactor maturase (NifB) i separate transgene rislinjer. Forskning i nitrogenaseekspression udføres normalt på laboratoriemodelplanter. Men ved at fokusere på ris, en vigtig basisafgrøde, der er den vigtigste eller eneste kilde til kalorier for mere end 2,5 milliarder mennesker i udviklingslande, øges betydningen og virkningen af ​​resultaterne af undersøgelserne væsentligt.

Projektets hovedefterforsker, Dr. Luis Rubio, siger:"Dette er et stort bioingeniørmæssigt fremskridt, da det river to tekniske vejspærringer ned og viser vejen til fremstilling af nitrogenfikserende korn." Præstationen fjerner en af ​​de største begrænsninger, der hindrer biologisk nitrogenfiksering i afgrøder, og sætter scenen for samlingen af ​​et komplet og funktionelt nitrogenasekompleks i planter.

Yderligere arbejde med at etablere anlæg, der indeholder den fulde nitrogenase, vil have en varig indvirkning på den globale fødevaresikkerhed. Dr. Paul Christou, ICREA forskningsprofessor og projektleder ved University of Lleida-Agrotecnio Center, siger:"En af de største konsekvenser af arbejdet på lang sigt vil være i lav- og mellemindkomstlande, som ikke har råd til dyre nitrogengødning."

Den relaterede forskning er blevet offentliggjort i Communications Biology og ACS Synthetic Biology . + Udforsk yderligere

Forskere tager de første cryo-EM-billeder nogensinde af nitrogenase i aktion