Исследователям из Центра биотехнологии и геномики растений (CBGP, UPM-INIA) в сотрудничестве с Университетом Лериды Agrotecnio и Каталонским институтом исследований и перспективных исследований (ICREA) удалось получить первые трансгенные злаки, экспрессирующие два компонента, являющиеся ключевыми для нитрогеназы, фермента, который фиксирует атмосферный азот, превращая его в аммиак. Речь идет о рисе, важной культуре и основном источнике калорий для более чем 2,5 миллиардов человек в развивающихся странах.
Каждый компонент был получен в различных линиях трансгенных растений, и теперь доказано, что он биологически активен in vitro или в живых растениях.
Эти трансгенные растения еще не способны фиксировать свой собственный азот, потому что для восстановления полного фермента нитрогеназы необходимы дополнительные компоненты, но работа является новаторской, поскольку впервые показывает, что можно экспрессировать эти очень чувствительные к кислороду белки в стабильной форме в растениях, и что одни и те же белки сохраняют свою активность.
Растениям нужен азот, чтобы расти и давать урожая. Азот – один из главных компонентов ДНК, белков, хлорофилла и молекул-аккумуляторов энергии, таких как аденозинтрифосфат (АТФ). Большинство сельскохозяйственных культур зависят от поставок нитратов и аммония из промышленных синтетических удобрений, однако, более половины из минеральных удобрений не усваиваются, просачиваясь в реки и озера и загрязняя их.
Бобовые культуры, такие как горох и фасоль, содержат бактерии, преобразующие газообразный азот непосредственно в аммиак с помощью фермента, называемого нитрогеназой. Этот процесс известен как биологическая фиксация азота.
Внедрение генов нитрогеназы в культурные растения обеспечит необходимый механизм для независимой фиксации азота. Но этот процесс чрезвычайно сложен, поскольку требуется множество различных индивидуальных белков не только в качестве непосредственных структурных компонентов нитрогеназы, но и в качестве вспомогательных белков, необходимых для ее сборки и снабжения энергией. Кроме того, основные белковые компоненты чрезвычайно чувствительны к кислороду.
Исследователи преодолели это критическое узкое место, производя функциональную редуктазу динитрогеназы (белок Fe, NifH) и матуразу кофактора нитрогеназы (NifB) отдельно в трансгенных линиях риса. Исследования экспрессии нитрогеназы обычно проводят на лабораторных модельных растениях, но здесь взят рис с учетом его значения для более чем 2,5 миллиардов человек в развивающихся странах, так что важность и влияние результатов исследования на глобальную продовольственную безопасность существенно возрастают.
Главный исследователь проекта доктор Б. Луи Рубио сказал: «Это прорыв в биоинженерии, устраняющий два технических препятствия и указывающий путь к азотфиксирующим зернам. Достижение устраняет одно из серьезных препятствий для биологической фиксации азота в сельскохозяйственных культурах и закладывает основу для сборки полного и функционального нитрогеназного комплекса в растениях».
Работа опубликована в двух влиятельных научных журналах, Communications Biology и Американского химического общества Synthetic Biology, является частью исследовательской программы, финансируемой за счет гранта Фонда Билла и Мелинды Гейтс для доктора Б. Луи Рубио.
