Новое достижение в биологической фиксации азота в рисе
Ученым из Центра биотехнологии и геномики растений (CBGP, UPM-INIA) в сотрудничестве с Университетом Лериды-Агротекнио и Каталонским институтом исследований и перспективных исследований (ICREA) удалось получить первые трансгенные злаки, экспрессирующие два ключевые компоненты нитрогеназы, фермента, который фиксирует атмосферный азот, превращая его в аммиак.
Каждый компонент был получен в отдельной линии трансгенных растений, и было показано, что он биологически активен in vitro или в живых растениях. Эти трансгенные растения еще не могут фиксировать свой собственный азот, потому что для реконструкции полного фермента нитрогеназы необходимы дополнительные компоненты, но работа, тем не менее, является новаторской, поскольку она впервые демонстрирует возможность стабильной экспрессии этих высокочувствительных к кислороду белков в растениях, и что белки сохраняют свою активность.
Культурам необходим азот для роста и продуктивности, потому что он является основным компонентом ДНК, белков, хлорофилла и молекул-аккумуляторов энергии, таких как аденозинтрифосфат (АТФ). Большинство сельскохозяйственных культур зависят от поставок нитратов и аммония из промышленных синтетических удобрений, но более половины этих ресурсов остаются неусвоенными, смывая или выщелачивая их в реки и озера, что является основным источником загрязнения.
Бобовые культуры, такие как горох и фасоль, содержат бактерии, которые превращают газообразный азот непосредственно в аммиак с помощью фермента, называемого нитрогеназой. Этот процесс известен как биологическая фиксация азота . Введение генов нитрогеназы в культурные растения обеспечит механизм, необходимый для независимой фиксации азота. Однако этот процесс чрезвычайно сложен, поскольку требуется множество различных индивидуальных белков не только в качестве непосредственных структурных компонентов нитрогеназы, но и вспомогательных белков, необходимых для ее сборки и обеспечения энергией. Основные белковые компоненты также чрезвычайно чувствительны к кислороду.
Исследователи преодолели это критическое узкое место, производя функциональную редуктазу динитрогеназы (белок Fe, NifH) и матуразу кофактора нитрогеназы (NifB) в отдельных линиях трансгенного риса. Исследования экспрессии нитрогеназы обычно проводят на лабораторных модельных растениях. Однако если сосредоточить внимание на рисе, важной основной культуре, которая является основным или единственным источником еды для более чем 2,5 миллиардов человек в развивающихся странах, важность и влияние результатов исследований существенно возрастают.
Главный исследователь проекта, доктор Луис Рубио, сказал:
«Это большое достижение в области биоинженерии, поскольку оно устраняет два технических препятствия и указывает путь к созданию злаков, фиксирующих азот». Достижение устраняет одно из основных препятствий, препятствующих биологической фиксации азота в сельскохозяйственных культурах, и создает основу для сборки полного и функционального нитрогеназного комплекса в растениях».
Дальнейшая работа по созданию заводов, содержащих полную нитрогеназу, окажет долгосрочное влияние на глобальную продовольственную безопасность.
Исследование было опубликовано в журналах Communications Biology и ACS Synthetic Biology.
Источник: Политехнический университет Мадрида
