Onderzoekers van het Centre for Plant Biotechnology and Genomics (CBGP, UPM-INIA), in samenwerking met de Universiteit van Lleida-Agrotecnio en de Catalan Institution for Research and Advanced Studies (ICREA), zijn erin geslaagd de eerste transgene granen te produceren die twee belangrijkste componenten van stikstofase, het enzym dat atmosferische stikstof fixeert door het om te zetten in ammoniak.

Elke component werd geproduceerd in een aparte transgene plantenlijn en bleek biologisch actief te zijn in vitro of in levende planten. Deze transgene planten kunnen hun eigen stikstof nog niet fixeren omdat er extra componenten nodig zijn om het volledige stikstofase-enzym te reconstrueren, maar het werk is niettemin baanbrekend omdat het voor het eerst aantoont dat het mogelijk is om deze zeer zuurstofgevoelige eiwitten stabiel tot expressie te brengen in planten, en dat de eiwitten hun activiteiten behouden.

Gewassen hebben stikstof nodig voor groei en productiviteit omdat het een belangrijk bestanddeel is van DNA, eiwitten, chlorofyl en energieopslagmoleculen zoals adenosinetrifosfaat (ATP). De meeste gewassen zijn afhankelijk van de aanvoer van nitraat en ammonium uit industriële synthetische meststoffen, maar meer dan de helft van deze inputs blijft ongeassimileerd en komt terecht in rivieren en meren als een belangrijke bron van vervuiling.

Peulgewassen zoals erwten en bonen herbergen bacteriën die stikstofgas direct omzetten in ammoniak met behulp van een enzym dat stikstofase wordt genoemd. Dit proces staat bekend als biologische stikstofbinding. De introductie van stikstofase-genen in gewassen zou de machine leveren die nodig is om stikstof onafhankelijk te fixeren. Het proces is echter buitengewoon complex omdat er veel verschillende individuele eiwitten nodig zijn, niet alleen als de directe structurele componenten van stikstofase, maar ook als accessoire-eiwitten die nodig zijn voor de assemblage en de levering van energie. De belangrijkste eiwitcomponenten zijn ook extreem zuurstofgevoelig.

De onderzoekers hebben dit kritieke knelpunt overwonnen door functionele dinitrogenase-reductase (Fe-eiwit, NifH) en de stikstofase-cofactor-maturase (NifB) te produceren in afzonderlijke transgene rijstlijnen. Onderzoek naar stikstofase-expressie wordt meestal uitgevoerd op laboratoriummodelplanten. Door echter te focussen op rijst, een belangrijk basisgewas dat de belangrijkste of enige bron van calorieën is voor meer dan 2,5 miljard mensen in ontwikkelingslanden, wordt het belang en de impact van de resultaten van de onderzoeken aanzienlijk vergroot.

De hoofdonderzoeker van het project, Dr. Luis Rubio, zegt:"Dit is een grote vooruitgang op het gebied van bio-engineering, aangezien het twee technische wegversperringen weghaalt en de weg toont om stikstofbindende granen te maken." De prestatie neemt een van de belangrijkste beperkingen weg die biologische stikstofbinding in gewassen belemmeren en vormt de basis voor de assemblage van een compleet en functioneel stikstofasecomplex in planten.

Verdere werkzaamheden om planten op te zetten die de volledige stikstofase bevatten, zouden een blijvende impact hebben op de wereldwijde voedselzekerheid. Dr. Paul Christou, ICREA-onderzoeksprofessor en projectleider aan de Universiteit van Lleida-Agrotecnio Center, zegt:"Een van de belangrijkste effecten van het werk op de lange termijn zal zijn in lage- en middeninkomenslanden, die zich geen dure stikstofmeststoffen."

Het gerelateerde onderzoek is gepubliceerd in Communications Biology en ACS Synthetische Biologie . + Verder verkennen

Onderzoekers nemen allereerste cryo-EM-beelden van stikstofase in actie