قام الدكتور إدواردو بلوموالد (على اليمين) والدكتور أخيلش ياداف، وأعضاء آخرون من فريقهم في جامعة كاليفورنيا، ديفيس، بتعديل الأرز لتشجيع بكتيريا التربة على إنتاج المزيد من النيتروجين الذي يمكن للنباتات استخدامه. [ترينا كلايست/جامعة كاليفورنيا، ديفيس]
استخدم الباحثون تقنية كريسبر لتعديل الأرز وراثيًا لتحفيز بكتيريا التربة على تثبيت النيتروجين اللازم لنموها. قد تُسهم هذه النتائج في تقليل كمية الأسمدة النيتروجينية اللازمة لزراعة المحاصيل، مما يوفر على المزارعين الأمريكيين مليارات الدولارات سنويًا، ويُفيد البيئة بتقليل تلوث النيتروجين.
قال الدكتور إدواردو بلوموالد، الأستاذ المتميز في علوم النبات بجامعة كاليفورنيا في ديفيس، والذي قاد الدراسة: "النباتات مصانع كيميائية مذهلة". استخدم فريقه تقنية كريسبر لتعزيز تحلل الأبيجينين في الأرز. ووجدوا أن الأبيجينين ومركبات أخرى تُحفز تثبيت النيتروجين بواسطة البكتيريا.
وقد نُشر عملهم في مجلة التكنولوجيا الحيوية النباتية ("التعديل الجيني لتخليق الفلافونويد في الأرز يعزز تكوين الأغشية الحيوية وتثبيت النيتروجين البيولوجي بواسطة بكتيريا تثبيت النيتروجين في التربة").
يُعدّ النيتروجين عنصراً أساسياً لنمو النبات، لكن النباتات لا تستطيع تحويله مباشرةً من الهواء إلى شكلٍ قابلٍ للاستخدام. بدلاً من ذلك، تعتمد النباتات على امتصاص النيتروجين غير العضوي، مثل الأمونيا، الذي تُنتجه البكتيريا في التربة. ويعتمد الإنتاج الزراعي على استخدام الأسمدة النيتروجينية لزيادة إنتاجية النبات.
قال: "إذا استطاعت النباتات إنتاج مواد كيميائية تسمح لبكتيريا التربة بتثبيت النيتروجين الجوي، فيمكننا هندسة النباتات لإنتاج المزيد من هذه المواد الكيميائية. تشجع هذه المواد الكيميائية بكتيريا التربة على تثبيت النيتروجين، وتستخدم النباتات الأمونيوم الناتج، مما يقلل الحاجة إلى الأسمدة الكيميائية."
استخدم فريق بروموالد التحليل الكيميائي وعلم الجينوم لتحديد المركبات الموجودة في نباتات الأرز - الأبيجينين والفلافونويدات الأخرى - التي تعزز نشاط تثبيت النيتروجين للبكتيريا.
ثم حددوا مسارات إنتاج المواد الكيميائية، واستخدموا تقنية كريسبر لتعديل الجينات لزيادة إنتاج المركبات التي تحفز تكوين الأغشية الحيوية. تحتوي هذه الأغشية الحيوية على بكتيريا تعزز تحويل النيتروجين. ونتيجة لذلك، يزداد نشاط تثبيت النيتروجين لدى البكتيريا، وتزداد كمية الأمونيوم المتاحة للنبات.
كتب الباحثون في الورقة البحثية: "أظهرت نباتات الأرز المحسّنة زيادة في إنتاجية الحبوب عند زراعتها في ظروف نقص النيتروجين في التربة. تدعم نتائجنا التلاعب بمسار التخليق الحيوي للفلافونويد كوسيلة لتحفيز تثبيت النيتروجين الحيوي في الحبوب وتقليل محتوى النيتروجين غير العضوي. استخدام الأسمدة: استراتيجيات عملية."
يمكن لنباتات أخرى استخدام هذه الطريقة أيضًا. وقد تقدمت جامعة كاليفورنيا بطلب للحصول على براءة اختراع لهذه التقنية، وهي بانتظار الموافقة حاليًا. مُوِّل البحث من قِبَل مؤسسة ويل دبليو ليستر. إضافةً إلى ذلك، تدعم شركة باير كروب ساينس إجراء المزيد من الأبحاث حول هذا الموضوع.
قال بلوموالد: "أسمدة النيتروجين باهظة الثمن للغاية. وأي شيء من شأنه أن يقلل هذه التكاليف مهم. فمن جهة، المسألة تتعلق بالمال، ولكن للنيتروجين أيضاً آثار ضارة على البيئة".
تُفقد معظم الأسمدة المستخدمة، متسربةً إلى التربة والمياه الجوفية. وقد يُسهم اكتشاف بلوموالد في حماية البيئة عن طريق الحد من تلوث النيتروجين. وقال: "قد يُوفر هذا أسلوبًا زراعيًا بديلًا ومستدامًا يُقلل من استخدام الأسمدة النيتروجينية الزائدة".