Die Stickstoff-Fixierungstechnik bei Getreide nähert sich einem Schritt

Anonim

Ein UK-China-Forscherteam hat eine neue Methode zur Stickstofffixierung entdeckt, mit der wir dem Ziel näher kommen, eine Reihe von Feldfrüchten zu entwickeln, um ihren eigenen Stickstoff zu binden.

Einer der Hauptfaktoren, die das Pflanzenwachstum begrenzen, ist die Verfügbarkeit von Stickstoff, aber nur Bakterien und andere einzellige Mikroben, die Archaeen genannt werden, können Stickstoff aus der Luft aufnehmen und ihn in einer Form fixieren, die von Pflanzen genutzt werden kann. Das von diesen Mikroben durchgeführte Verfahren ist als biologische Stickstofffixierung bekannt.

Hülsenfrüchte erhalten Stickstoff von symbiotischen stickstoffbindenden Bakterien, aber Getreidepflanzen, einschließlich Weizen und Mais, sind auf die Verfügbarkeit von festem Stickstoff im Boden angewiesen. In vielen Fällen ist der Zusatz von chemischen Düngemitteln der einzige Weg, den Pflanzen genügend Stickstoff zuzuführen, um eine gute Ernte zu gewährleisten.

Der Einsatz von Stickstoffdüngern setzt Lachgas frei, ein 300-mal stärkeres Treibhausgas als Kohlendioxid. Wir hoffen, den Einsatz von Stickstoffdüngern zu reduzieren, indem wir Pflanzen so bearbeiten, dass sie ihren eigenen Stickstoff binden, und so ihre Auswirkungen auf die Umwelt mindern. Ein solcher Bruch könnte aber auch weltweite Auswirkungen auf die Getreideproduktivität haben.

In dieser Arbeit konnte das Forscherteam die Stickstofffixierung mithilfe einer neuartigen Strategie verbessern, die den Prozess der Entwicklung mehrerer Gene vereinfacht, um sicherzustellen, dass ihre Expression in ihrem neuen Wirt ausgewogen ist. Die Stickstofffixierung ist ein komplizierter und heikler Prozess, bei dem zahlreiche Schlüsselkomponenten im Gleichgewicht sind. Bislang war das richtige Gleichgewicht dieser Komponenten eine große Herausforderung für das Engineering der Stickstofffixierung in Getreidekulturen.

Die neue Methode organisiert eine große Anzahl von Genen, die für die Stickstofffixierung in einer kleineren Anzahl von "Riesengenen" benötigt werden. Diese werden dann in der Wirtszelle als große Proteine, die als "Polyproteine" bekannt sind, exprimiert, die anschließend durch ein spezifisches Proteaseenzym geschnitten werden, um die einzelnen Stickstofffixierungskomponenten freizusetzen. Ein innovativer Teil dieser Methode ist, wie die Gruppe die Menge jeder benötigten Komponente identifiziert und diese dann gruppiert. Dieser Schritt stellt sicher, dass das richtige Gleichgewicht hergestellt wird.

Professor Ray Dixon, Projektleiter für molekulare Mikrobiologie am John Innes Center, sagte: "Dies ist eine wirklich aufregende Entwicklung für die synthetische Biologie, weil sie dem Ziel näher kommt, die Stickstofffixierung in Getreide zu optimieren."

Das kooperierende Team der Peking University - John Innes Center sagt, dass diese aufregende Methode nützlich sein wird, um komplexe Systeme von Prokaryoten wie Bakterien zu eukaryotischen Wirten wie Pflanzen zu transformieren.

Professor Dixon fährt fort: "In Zukunft könnte diese Methode auch auf die Entwicklung metabolischer Stoffwechselwege in Pflanzen angewendet werden, um antimykotische und antibakterielle Sekundärmetabolite zu produzieren, die gegen Pathogene resistent sind."

Zu den wichtigsten Ergebnissen der Studie, die in der Zeitschrift PNAS erschienen ist, gehören:

  • Eine von RNA-Viren abgeleitete posttranslationale Proteinspleißstrategie wurde genutzt, um die Genanzahl des klassischen Nitrogenasesystems zu minimieren, um die Stöchiometrie der Stickstofffixierung (nif) -Genexpression zu optimieren
  • Gene wurden auf der Basis ihrer Expressionsniveaus und Toleranz ihrer Proteinprodukte zu einem C-terminalen "Schwanz", der nach TEVp-Proteasespaltung verbleibt, gruppiert
  • nach mehreren Runden von Test-Umgruppenzyklen wurden 14 essentielle Gene selektiv zu 5 Riesengenen zusammengesetzt, die das Wachstum auf Distickstoff ermöglichen
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