Forskare från Center for Plant Biotechnology and Genomics (CBGP, UPM-INIA), i samarbete med University of Lleida-Agrotecnio och Catalan Institution for Research and Advanced Studies (ICREA), har lyckats producera de första transgena spannmålen som uttrycker två nyckelkomponenter i nitrogenas, enzymet som fixerar atmosfäriskt kväve genom att omvandla det till ammoniak.

Varje komponent producerades i en separat transgen växtlinje och visades vara biologiskt aktiv in vitro eller i levande växter. Dessa transgena växter kan ännu inte fixera sitt eget kväve eftersom ytterligare komponenter behövs för att rekonstruera hela nitrogenasenzymet, men arbetet är ändå banbrytande eftersom det för första gången visar att det är möjligt att uttrycka dessa mycket syrekänsliga proteiner stabilt i växter, och att proteinerna behåller sina aktiviteter.

Grödor kräver kväve för tillväxt och produktivitet eftersom det är en viktig komponent i DNA, proteiner, klorofyll och energilagringsmolekyler som adenosintrifosfat (ATP). De flesta grödor är beroende av tillförsel av nitrat och ammonium från syntetiska industrigödselmedel, men mer än hälften av dessa insatser förblir oassimilerade och rinner över eller läcker ut i floder och sjöar som en stor föroreningskälla.

Baljväxter som ärtor och bönor innehåller bakterier som omvandlar kvävgas direkt till ammoniak med hjälp av ett enzym som kallas nitrogenas. Denna process är känd som biologisk kvävefixering. Införandet av nitrogenasgener i växtväxter skulle ge de maskiner som behövs för att fixera kväve oberoende. Processen är emellertid extremt komplex eftersom många olika individuella proteiner krävs inte bara som de direkta strukturella komponenterna i nitrogenas utan också som accessoriska proteiner som behövs för dess sammansättning och tillhandahållande av energi. De viktigaste proteinkomponenterna är också extremt syrekänsliga.

Forskarna övervann denna kritiska flaskhals genom att producera funktionellt dinitrogenasreduktas (Fe-protein, NifH) och nitrogenaskofaktorn maturas (NifB) i separata transgena rislinjer. Forskning om uttryck av nitrogenas bedrivs vanligtvis på laboratoriemodellväxter. Men genom att fokusera på ris, en viktig basgröda som är den huvudsakliga eller enda källan till kalorier för mer än 2,5 miljarder människor i utvecklingsländer, ökar betydelsen och effekten av resultaten av studierna avsevärt.

Projektets huvudutredare, Dr. Luis Rubio, säger:"Detta är ett stort biotekniskt framsteg eftersom det river två tekniska vägspärrar och visar vägen för att göra kvävefixerande spannmål." Resultatet tar bort en av de stora begränsningarna som hindrar biologisk kvävefixering i grödor och sätter scenen för sammansättningen av ett komplett och funktionellt nitrogenaskomplex i växter.

Ytterligare arbete med att etablera anläggningar som innehåller hela nitrogenaset skulle ha en bestående inverkan på den globala livsmedelssäkerheten. Dr Paul Christou, ICREA forskningsprofessor och projektledare vid University of Lleida-Agrotecnio Center, säger:"En av de stora effekterna av arbetet på lång sikt kommer att vara i låg- och medelinkomstländer, som inte har råd med dyra kvävegödselmedel."

Den relaterade forskningen har publicerats i Communications Biology och ACS Synthetic Biology . + Utforska vidare

Forskare tar för första gången cryo-EM-bilder av nitrogenas i aktion