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加州大学团队发现水稻中黄酮类化合物可固氮,已提交专利申请,或可应用于其它作物

来自话题:#科技研究
2022-08-11
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世界农化网中文网报道: 现代农业严重依赖化肥的应用来提高最大生产力。大约一半用于农业的氮肥会通过挥发到大气,增加大气中的 N2O 浓度,导致温室气体排放和全球变暖。氮肥也会从土壤剖面渗入地下水系统,导致水体富营养化。此外,利用大气氮生产工业氨(Haber-Bosch 工艺)是能源密集型的,预计到 2050 年,氮肥的生产将消耗全球能源的 2%。


氮对植物生长至关重要,但植物不能直接将空气中的氮气转化为它们可以利用的形式。相反,植物依赖于吸收土壤中细菌产生的无机形式的氮,例如氨。


近日,加州大学戴维斯分校的植物学家 Eduardo Blumwald 的团队找到了一种方法来减少种植谷类作物所需的氮肥量。这一发现每年可为美国农民节省数十亿美元的化肥成本,同时也有益于环境。相关研究以题为″Genetic modification of flavone biosynthesis in rice enhances biofilm formation of soil diazotrophic bacteria and biological nitrogen fixation″发表在 Plant Biotechnology 上。


花生和大豆等豆类有根瘤,可以利用固氮细菌为植物提供氨。水稻和小麦等谷物植物没有这种能力,必须依靠从土壤中的肥料中吸收无机氮,例如氨和硝酸盐。


Blumwald 的研究重点是通过土壤细菌增加空气中氮气向氨的转化——这一过程被称为固氮。″如果一种植物可以生产使土壤细菌固定大气中的氮气的化学物质,我们就可以改造植物以生产更多的这些化学物质。″Blumwald 表示。″这些化学物质将诱导土壤细菌固氮,植物将利用形成的氨,减少肥料的使用量。″


Blumwald 的团队使用化学筛选和基因组学来鉴定水稻植物中增强细菌固氮活性的化合物,并确定了产生化学物质的途径,这些化合物可以刺激土壤中固氮细菌中生物膜的形成,并促进植物组织的细菌定植。生物膜的形成保护了细菌固氮酶,促进了根-固氮菌的相互作用和根的定殖,从而实现了有效的生物固氮。


团队进行了化学筛选,以鉴定在 Gluconacetobacter diazotrophicus 中诱导生物膜形成的化合物并证明芹菜素和其他黄酮可诱导细菌生物膜合成。然后,我们使用基于 CRISPR 的基因编辑来修改水稻中的黄酮生物合成途径,产生富含芹菜素的水稻植物,将芹菜素挤出到根际。在限制土壤氮的条件下,生物膜会使谷物产量增加。生物膜还通过富集根内以及根平面和根际的固氮菌募集来改变根微生物组结构,并在有限的氮土壤条件下增加谷物产量。


研究人员在文章中写道:″当在有限的土壤氮条件下生长时,改良的水稻植物显示出增加的谷物产量。我们的研究结果支持黄酮生物合成途径的操纵,作为诱导谷物生物固氮和减少无机氮肥使用的可行策略。″


该途径也可以用于其它植物。目前,相关技术的专利申请已由加利福尼亚大学提交并正在审理中。此外,拜耳作物科学正在支持对该主题的进一步研究。


参考资料:1.https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1111/pbi.138942.https://www.genengnews.com/topics/genome-editing/crispr-engineered-rice-enhances-natural-production-of-fertilizer/3.https://phys.org/news/2022-08-cereal-crops-fertilizer.html


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