Biotechnologický sen skutečností: obilniny fixující dusík

3.2.2020 |

Vzhledem k tomu, že poptávka po potravinách se v důsledku rostoucí populace na celém světě zvyšuje, je rozvoj rostlinné produkce důležitým cílem pro výzkumné pracovníky v zemědělství a potravinářských systémech. Jednou z výzkumných skupin zabývajících se touto problematikou je i tým vědců z Massachusettského technologického institutu (Massachusetts Institute of Technology, MIT). Jejich dlouhodobým cílem se stal vývoj obilnin, které by samy dokázaly fixovat dusík, a nebyly tak závislé na v současné době tolik rozšířených dusíkatých hnojivech.

Dusík je základním nutrientem, který umožňuje rostlinám růst. Každá rostlina se ale s (ne)dostatkem dusíku dokáže vypořádat jinak. Luštěniny jsou schopny zařídit si přístup k dusíku prostřednictvím symbiotických (vzájemně prospěšných) vztahů s bakteriemi fixujícími vzdušný dusík, který je pak uvolněn do půdy a vychytáván kořeny rostlin. Jiné plodiny, např. kukuřice, pšenice nebo rýže, jsou ale závislé na přídavcích dusíku do hnojiv, bez nichž by hůře rostly a méně produkovaly. S použitím hnojiv je spojeno hned několik nevýhod, z nichž za nejvýznamnější je považována energetická náročnost a ekologické dopady jejich výroby nejběžněji využívaným Haber-Boschovým procesem, který je vzhledem k rychle se měnícímu klimatu neudržitelný. Dále dochází při aplikaci příliš velkého množství hnojiv k znečištění řek a oceánů dusíkem, což má díky přemnožení řas negativní vliv na mořský život. Pokud by se tedy podařilo transformovat obilniny tak, aby nebyly na takových hnojivech závislé, přineslo by to mnoho benefitů, zejména environmentálních.

Při vývoji takových obilnin vědci cílili na studium bakterií fixujících dusík, které se často asociují s vyššími rostlinami, např. s již zmíněnými luštěninami, a vstupují s nimi do oboustranně prospěšného vztahu. Tyto bakterie nesou ve svém genomu specifické geny, tzv. nif geny, kódující klíčové enzymy zodpovědné za fixaci vzdušného dusíku. Expresí těchto genů pak vznikají proteinové struktury zodpovědné za fixaci. Dráha nif genů je ale velmi složitá a rozsáhlá, vedle primárního kódovaného enzymu nitrogenasy, který konvertuje atmosférický dusík na amoniak a jiné formy, kódují nif geny i mnoho regulačních proteinů.

Úspěšná editace genomu rostlin vnesením těchto genů by tak mohla být cestou, jak získat obilniny schopné fixace dusíku. Přenos takto velkého klastru genů je ale náročný a pro vědce představuje značnou technickou výzvu. Vedle samotného transferu genů je také potřeba replikovat buněčné komponenty odpovědné za řízení celé dráhy nif genů. A jelikož je genová exprese u bakterií zcela odlišná od genové exprese rostlin, vzniká zde další problém.

Výzkumníci k těmto obtížím přistoupili elegantně, místo na celé rostlinné buňky zacílili své experimenty pouze na rostlinné buněčné organely, mitochondrie a chloroplasty, které v pradávných dobách existovaly samostatně jako prokaryota (jednobuněčné organismy). Obě tyto organely nesou svou vlastní genetickou informaci a se současnými prokaryoty mají mnoho společných znaků. Jsou tak vhodnými kandidáty na nitrogenasový transfer z bakterií.

Kromě výše zmíněného mají tyto organely i další atributy, díky nimž jsou vhodným prostředím pro fungování dusíkatých klastrů. Nitrogenasa potřebuje ke své funkci mnoho energie a jak chloroplasty, tak i mitochondrie produkují velké množství energie pro buňku ve formě ATP. Dále je nitrogenasa velmi citlivá na kyslík a nefunguje, pokud je ho v prostředí příliš mnoho. V chloroplastech i mitochondriích je hladina kyslíku nízká, což z nich činí ideální místo pro působení tohoto enzymu.

Transformace mitochondriální a chloroplastové DNA je sama o sobě dalším náročným procesem, proto vědci navrhli systém pro přenos genů pomocí kvasinek (eukaryot), jež představují jakýsi „mezistupeň“ mezi bakteriemi a rostlinami. Pomocí takto navrženého systému editace došlo k úspěšné expresi kompletního NIfDK tetrameru – klíčového proteinu fixace dusíku – v mitochondriích kvasinek. Podařilo se jim tak vyvinout první eukaryotní organismy schopné formovat nitrogenasové strukturní proteiny.

Tento výzkum tak přinesl průlomové výsledky a nastínil cestu k omezení, ne-li v budoucnu naprostému zastavení využívání dusíkatých hnojiv.

Zdroj:

http://news.mit.edu/2020/making-real-biotechnology-dream-nitrogen-fixing-cereal-crops-0110

http://www.isaaa.org/kc/cropbiotechupdate/article/default.asp?ID=17916