ABD’de yapılan deneylerde ekip, gen düzenleme aracı CRISPR’ı kullanarak bitkinin doğal kimyasallarından birinin üretimini artırdı. Buğday kökleri bu ek bileşiği toprağa saldığında, havadaki nitrojeni bitkilerin emebileceği bir forma dönüştürebilen belirli bakterilere yardımcı oluyor. Bu sürece “azot bağlanması” (nitrogen fixation) deniyor.
Buğday, dünyanın en çok üretilen ikinci tahılı ve küresel nitrojen gübresi kullanımının yaklaşık yüzde 18’ini oluşturuyor. Birleşmiş Milletler Gıda ve Tarım Örgütü’ne göre, 2020 yılında dünya çapında 800 milyon tondan fazla gübre üretildi.
Bitkiler genellikle verilen nitrojen gübresinin yalnızca yüzde 30 ila yüzde 50’sini emiyor. Geri kalan kısmı nehir ve kıyı bölgelerine karışarak, özellikle su ekosistemlerine zarar veriyor. Toprakta biriken fazla nitrojen ise güçlü bir sera gazı olan nitröz oksit (azot protoksit) üretebiliyor.
Azot bağlayan bakteriler, azot bağlama işlemini gerçekleştiren “nitrogenaz” adlı bir enzim oluşturuyor. Enzim sadece bu bakterilerin içinde ve yalnızca düşük oksijenli ortamlarda çalışabiliyor. Fasulye ve bezelye gibi baklagiller, bu bakterilerin ihtiyaç duyduğu düşük oksijenli ortamı sağlayan kök yumrularını doğal olarak oluşturuyor.
Öte yandan, buğday ve diğer çoğu tahılda bu yumrular bulunmuyor. Bu nedenle sentetik nitrojen gübresi yaygın olarak kullanılıyor.
Yeni çalışmada ekip, azot bağlayan bakterinin nerede bulunduğunun önemli olmadığını, bağlanan azotun bitkiye ulaşmasının ve bitkinin bunu kullanabilmesinin önemli olduğunu fark etti. Araştırmacılar, bitkilerin doğal olarak ürettiği 2 bin 800 kimyasalı inceledi ve azot bağlayan bakterilerin biyofilm oluşturmasını sağlayacak 20 kimyasalı belirledi. Biyofilmler, bakterileri saran yapışkan kaplamalar oluşturarak nitrogenaz enziminin çalışabileceği düşük oksijenli mikro ortam sağlıyor.
Ekip ardından bileşiklerin bitkide nasıl üretildiğini haritalandırdı ve ilgili genleri tespit etti. Böylece, CRISPR kullanarak buğday bitkilerini özellikle bir bileşiği (apigenin adlı bir flavon) daha yüksek seviyede üretmesi için düzenledi.
Bitki, ihtiyaç duyduğundan fazla apigenin ürettiğinde, fazlasını toprağa bıraktı. Deneylerde bu apigenin, topraktaki bakterilerin koruyucu biyofilmler oluşturmasını tetikledi ve nitrogenazın, buğdayın emebileceği formda azot bağlamasını sağladı. Çok düşük nitrojen gübresi koşullarında bile, genetiği düzenlenmiş buğday kontrol bitkilerine göre daha yüksek verim verdi.
Kaynak: Plant Biotechnology Journal