Ученые из Калифорнийского университета в Дэвисе разработали сорта пшеницы, которые стимулируют производство собственного удобрения, что открывает путь к снижению загрязнения воздуха и воды во всем мире и сокращению затрат фермеров. Исследование было опубликовано в онлайн-журнале Plant Biotechnology Journal. Калифорнийский университет подал заявку на патент, которая находится на рассмотрении. Исследование поддержали Bayer Crop Science и фонд UC Davis Will Lester Endowment.

Команда использовала инструмент для редактирования генов CRISPR, чтобы заставить растения пшеницы производить больше одного из своих естественных химических веществ. Когда растение выделяет избыток этого химического вещества в почву, оно помогает определенным бактериям в почве преобразовывать азот из воздуха в форму, которую могут использовать близлежащие растения для роста. Этот процесс преобразования называется азотфиксацией.

В отличие от бобовых, пшеница и большинство других растений не имеют корневых клубеньков. Именно поэтому фермеры используют азотсодержащие удобрения. Прорыв в области пшеницы основан на более ранней работе команды с рисом. В настоящее время ведутся исследования по распространению этой технологии на другие зерновые культуры.

Чтобы найти решение, команда сначала изучила 2800 химических веществ, которые растения производят естественным путем. Они обнаружили 20 веществ, которые, помимо других полезных для растения функций, также стимулируют бактерии к производству биопленок. Биопленки — это липкий слой, который окружает бактерии и создает среду с низким содержанием кислорода, позволяющую нитрогеназе работать. Ученые определили, как растение производит эти химические вещества и какие гены контролируют этот процесс.

Затем команда использовала инструмент для редактирования генов CRISPR, чтобы модифицировать растения пшеницы с целью увеличения производства одного из этих химических веществ, флавона под названием апигенин. Пшеница, теперь содержащая больше апигенина, чем ей необходимо, выделяет избыток через корни в почву. В проведенных ими экспериментах апигенин из пшеницы стимулировал бактерии в почве к созданию защитных биопленок, позволяя азотфиксирующим бактериям фиксировать азот, а растениям пшеницы — усваивать его.

Пшеница также показала более высокую урожайность, чем контрольные растения, при выращивании в условиях очень низкой концентрации азотных удобрений.