Дослідники отримали нове досягнення в біологічній фіксації азоту в рисі
Дослідникам з Центру біотехнології та геноміки рослин (CBGP, UPM-INIA) у співпраці з Університетом Лериди-Агротекніо та Каталонським інститутом досліджень та перспективних досліджень (ICREA) вдалося отримати перші трансгенні злаки, що експресують два ключові компоненти нітрогеназу, фермента, який фіксує атмосферний азот, перетворюючи його на аміак.
Кожен компонент був отриманий в окремій лінії трансгенних рослин і було показано, що він біологічно активний in vitro або живих рослин. Ці трансгенні рослини ще не можуть фіксувати свій власний азот, тому що для реконструкції повного ферменту нітрогенази необхідні додаткові компоненти, але робота, проте, є новаторською, оскільки вона вперше демонструє можливість стабільної експресії цих високочутливих до кисню білків у рослинах, і що білки зберігають свою активність.
Відносні рівні експресії мРНК OsnifH Ht та OsnifM Av у трьох різних (незалежних біологічних повторах) лініях рослин рису (а) та відповідних калусних лініях (б). Дані (нормовані до мРНК OsActin) є середні значення ± стандартне відхилення (n = 3 технічних повтору). Імуноблот-аналіз розчинних білкових екстрактів листя рису (в) та калюсу (г), зондованих антитілами проти NifH, NifM та Strep-мітки. Антитіла проти RuBisCO використовували як контроль завантаження ліній рослин. Фарбування Понсо використовували як контроль завантаження екстрактів калюсу через низьку експресію RuBisCO. На смузі Ctrl показані нетрансформовані калюси та лінії рослин. Стабільна експресія OsNifH Ht в сегрегуючому поколінні T1 лінії рослин рису HtH200. Екстракт білка з каллюсу, що експресує OsNifH Ht (лінія HtH206), використовували як позитивний контроль (Pos контроль). Необрізані імуноблоти показані на додаткових малюнках. 6–10. f Фенотип OsNifH Ht, що експресує потомство T1, демонструє нормальне зростання та розвиток. Надано: Комунікаційна біологія (2022).
Культурам необхідний азот для зростання та продуктивності, тому що він є основним компонентом ДНК, білків, хлорофілу та молекул-акумуляторів енергії, таких як аденозинтрифосфат (АТФ). Більшість сільськогосподарських культур залежать від постачання нітратів та амонію з промислових синтетичних добрив, але більше половини цих ресурсів залишаються незасвоєними, проливаючи або вилуговуючи в річки та озера, що є основним джерелом забруднення.
Бобові культури, такі як горох і квасоля, містять бактерії, які перетворюють газоподібний азот безпосередньо на аміак за допомогою ферменту, званого нітрогеназою. Цей процес відомий як біологічна фіксація азоту. Введення генів нітрогенази в культурні рослини забезпечить механізм, необхідний незалежної фіксації азоту. Однак цей процес надзвичайно складний, оскільки потрібно безліч різних індивідуальних білків не тільки як безпосередні структурні компоненти нітрогенази, але і допоміжних білків, необхідних для її складання та забезпечення енергією. Основні білкові компоненти також надзвичайно чутливі до кисню.
Дослідники подолали це критичне вузьке місце, виробляючи функціональну редуктазу динітрогенази (білок Fe, NifH) та матуразу кофактора нітрогенази (NifB) в окремих лініях трансгенного рису. Дослідження експресії нітрогенази зазвичай проводять на модельних лабораторних рослинах. Однак якщо зосередити увагу на рисі, важливій основній культурі, яка є основним або єдиним джерелом калорій для більш ніж 2,5 мільярдів людей у країнах, що розвиваються, важливість і вплив результатів досліджень істотно зростають.
Головний дослідник проекту доктор Луїс Рубіо каже: «Це велике досягнення в галузі біоінженерії, оскільки воно усуває дві технічні перешкоди і вказує шлях до створення злаків, що фіксують азот».
Досягнення усуває одну з основних перешкод, що перешкоджають біологічній фіксації азоту в сільськогосподарських культурах і створює основу для складання повного та функціонального нітрогеназного комплексу в рослинах.
Подальша робота зі створення заводів, що містять повну нітрогеназу, вплине на глобальну продовольчу безпеку. Доктор Поль Христу, професор-дослідник ICREA та керівник проекту в Агротехнічному центрі Університету Лериди, каже: «Один із основних наслідків роботи у довгостроковій перспективі буде у країнах з низьким та середнім рівнем доходу, які не можуть дозволити собі дорогі азотні добрива».
Відповідне дослідження було опубліковано в журналах Communications Biology та ACS Synthetic Biology.
Також читайте: