L'ingénierie de la fixation de l'azote dans les cultures de céréales fait un pas de plus

Anonim

Une équipe de recherche du Royaume-Uni et de la Chine a mis au point une nouvelle méthode d'ingénierie de la fixation de l'azote, ce qui nous rapproche de l'objectif de concevoir une gamme de cultures pour fixer leur propre azote.

L'un des principaux facteurs limitant la croissance des cultures est la disponibilité de l'azote, mais seules les bactéries et autres microbes unicellulaires appelés archées peuvent prélever de l'azote dans l'air et le fixer sous une forme utilisable par les plantes. Le processus réalisé par ces microbes est appelé fixation biologique de l'azote.

Les légumineuses obtiennent l'azote des bactéries symbiotiques fixatrices d'azote, mais les cultures céréalières, notamment le blé et le maïs, dépendent de la disponibilité d'azote fixé dans le sol. Dans de nombreux cas, l'ajout d'engrais chimiques est le seul moyen de fournir aux cultures suffisamment d'azote pour assurer une bonne récolte.

L'utilisation d'engrais azotés libère de l'oxyde nitreux, un gaz à effet de serre 300 fois plus puissant que le dioxyde de carbone. En concevant des cultures pour fixer leur propre azote, nous espérons réduire l'utilisation des engrais azotés, atténuant ainsi leur impact sur l'environnement. Une rupture comme celle-ci pourrait également avoir des implications mondiales pour la productivité des céréales.

Dans cet article, l'équipe de recherche a été en mesure de concevoir une fixation de l'azote en utilisant une nouvelle stratégie, qui simplifie le processus d'ingénierie de plusieurs gènes pour s'assurer que leur expression est équilibrée dans leur nouvel hôte. La fixation de l'azote est un processus complexe et délicat qui nécessite un équilibre entre de nombreux composants clés. Jusqu'à présent, l'atteinte du juste équilibre entre ces composants constituait un défi majeur pour l'ingénierie de la fixation de l'azote dans les cultures céréalières.

La nouvelle méthode fonctionne en organisant un grand nombre de gènes nécessaires à la fixation de l'azote en un plus petit nombre de "gènes géants". Ceux-ci sont ensuite exprimés dans la cellule hôte sous la forme de protéines énormes appelées "polyprotéines" qui sont ensuite coupées par une enzyme protéase spécifique pour libérer les composants individuels de fixation de l'azote. Une partie innovante de cette méthode est la manière dont le groupe a identifié la quantité de chaque composant requis, puis les a regroupés. Cette étape garantit que le bon équilibre est produit.

Le professeur Ray Dixon, chef de projet en microbiologie moléculaire au John Innes Center, a déclaré: "Il s’agit d’un développement très intéressant pour la biologie synthétique, car il permet de mieux cibler l’ingénierie de la fixation de l’azote dans les céréales."

L'équipe collaborative de l'Université de Pékin - John Innes Center affirme que cette méthode excitante sera utile pour transformer les systèmes complexes des procaryotes tels que les bactéries en hôtes eucaryotes tels que les plantes.

Le professeur Dixon poursuit: "À l'avenir, cette méthode pourrait également être appliquée à des voies métaboliques d'ingénierie chez les plantes pour produire des métabolites secondaires antifongiques et antibactériens qui offrent une résistance aux agents pathogènes."

Les principales conclusions de l'étude parue dans la revue PNAS incluent:

  • une stratégie d'épissage des protéines post-traductionnelle dérivée des virus à ARN a été exploitée pour minimiser le nombre de gènes du système nitrogénase classique afin d'optimiser la stœchiométrie de l'expression génique de la fixation de l'azote (nif)
  • les gènes ont été regroupés sur la base de leurs niveaux d'expression et de la tolérance de leurs produits protéiques à une "queue" C-terminale qui reste après le clivage de la protéase TEVp
  • après plusieurs cycles de cycles de test-regroupement, 14 gènes essentiels ont été assemblés sélectivement en 5 gènes géants permettant la croissance du diazote
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