Eduardo Blumwald 박사(오른쪽)와 Akhilesh Yadav 박사 및 캘리포니아 대학교 데이비스 캠퍼스의 다른 팀원들은 토양 박테리아가 식물이 사용할 수 있는 더 많은 질소를 생산하도록 벼를 변형했습니다. [트리나 클라이스트/UC 데이비스]
연구자들은 CRISPR를 사용하여 쌀을 조작하여 토양 박테리아가 성장에 필요한 질소를 고정하도록 장려했습니다. 이번 연구 결과는 농작물 재배에 필요한 질소 비료의 양을 줄여 미국 농부들에게 매년 수십억 달러를 절약하고 질소 오염을 줄여 환경에 이익을 줄 수 있습니다.
“식물은 놀라운 화학 공장입니다.”라고 이번 연구를 주도한 데이비스 캘리포니아 대학교 식물 과학 교수인 Eduardo Blumwald 박사는 말했습니다. 그의 팀은 CRISPR를 사용하여 쌀의 아피게닌 분해를 향상시켰습니다. 그들은 아피게닌과 다른 화합물이 박테리아의 질소 고정을 유발한다는 것을 발견했습니다.
그들의 연구는 Plant Biotechnology 저널에 게재되었습니다("쌀 플라보노이드 생합성의 유전적 변형은 토양 질소 고정 박테리아에 의한 생물막 형성 및 생물학적 질소 고정을 향상시킵니다").
질소는 식물 성장에 필수적이지만 식물은 공기 중의 질소를 사용할 수 있는 형태로 직접 변환할 수 없습니다. 대신 식물은 토양 내 박테리아가 생성하는 암모니아와 같은 무기 질소를 흡수하는 데 의존합니다. 농업 생산은 식물 생산성을 높이기 위해 질소 함유 비료를 사용하는 데 기반을 두고 있습니다.
“식물이 토양 박테리아가 대기 질소를 고정할 수 있는 화학 물질을 생산할 수 있다면 우리는 식물이 이러한 화학 물질을 더 많이 생산하도록 조작할 수 있습니다.”라고 그는 말했습니다. "이 화학물질은 토양 박테리아가 질소를 고정하도록 장려하고 식물은 생성된 암모늄을 사용하여 화학 비료의 필요성을 줄입니다."
Broomwald의 팀은 화학 분석과 유전체학을 사용하여 벼에서 박테리아의 질소 고정 활동을 향상시키는 아피게닌과 기타 플라보노이드와 같은 화합물을 식별했습니다.
그런 다음 그들은 화학 물질을 생산하는 경로를 확인하고 CRISPR 유전자 편집 기술을 사용하여 생물막 형성을 자극하는 화합물의 생산을 늘렸습니다. 이 생물막에는 질소 변환을 향상시키는 박테리아가 포함되어 있습니다. 결과적으로 박테리아의 질소 고정 활동이 증가하고 식물이 이용할 수 있는 암모늄의 양이 증가합니다.
“개량된 벼는 토양의 질소 제한 조건에서 재배했을 때 곡물 수확량이 증가한 것으로 나타났습니다.”라고 연구진은 논문에 썼습니다. “우리의 결과는 곡물의 생물학적 질소 고정을 유도하고 무기 질소 함량을 줄이는 방법으로 플라보노이드 생합성 경로의 조작을 뒷받침합니다. 비료 사용. 실제 전략.”
다른 식물도 이 경로를 사용할 수 있습니다. 캘리포니아 대학은 이 기술에 대한 특허를 신청했으며 현재 대기 중이다. 이 연구는 Will W. Lester 재단의 자금 지원을 받았습니다. 또한, 바이엘 크롭사이언스(Bayer CropScience)는 이 주제에 대한 추가 연구를 지원합니다.
“질소 비료는 매우 비쌉니다.”라고 Blumwald는 말했습니다. “이러한 비용을 없앨 수 있는 것은 무엇이든 중요합니다. 한편으로는 돈의 문제이지만 질소는 환경에도 해로운 영향을 미칩니다.”
적용된 비료의 대부분은 토양과 지하수로 스며들어 손실됩니다. Blumwald의 발견은 질소 오염을 줄여 환경을 보호하는 데 도움이 될 수 있습니다. “이것은 과도한 질소 비료의 사용을 줄이는 지속 가능한 대체 농업 관행을 제공할 수 있습니다.”라고 그는 말했습니다.