Nouvelle avancée dans la fixation biologique de l'azote du riz

Expression de OsNifH^Ht dérivé du riz et OsNifM^Av . Niveaux d'expression relatifs de l'ARNm d'OsnifH^Ht et OsnifM^Av dans trois lignées de plantes de riz différentes (répliques biologiques indépendantes) (a) et les lignées de cals correspondantes (b). Les données (normalisées par rapport à l'ARNm d'OsActin) sont des moyennes ± SD (n = 3 répétitions techniques). Analyse par immunotransfert d'extraits protéiques solubles de feuilles de riz (c) et de cals (d) sondés avec des anticorps contre NifH, NifM et le Strep-tag. Des anticorps contre RuBisCO ont été utilisés comme contrôle de charge pour les lignées végétales. La coloration Ponceau a été utilisée comme contrôle de chargement pour les extraits de cal en raison de la faible expression de RuBisCO. La voie Ctrl montre les cals et les lignes de plantes non transformés. e Expression stable de OsNifH^Ht dans la génération de ségrégation T1 de la lignée de plants de riz HtH200. Extrait protéique de cal exprimant OsNifH^Ht (lignée HtH206) a été utilisé comme contrôle positif (Pos ctrl). Les immunotransferts non recadrés sont présentés dans les figures supplémentaires. 6–10. f Phénotype de OsNifH^Ht exprimant une descendance T1 présentant une croissance et un développement normaux. Crédit :Biologie des communications (2022). DOI :10.1038/s42003-022-03921-9

Des chercheurs du Centre de biotechnologie et de génomique végétales (CBGP, UPM-INIA), en collaboration avec l'Université de Lleida-Agrotecnio et l'Institut catalan de recherche et d'études avancées (ICREA), ont réussi à produire les premières céréales transgéniques qui expriment deux composants clés de la nitrogénase, l'enzyme qui fixe l'azote atmosphérique en le transformant en ammoniac.

Chaque composant a été produit dans une lignée végétale transgénique distincte et s'est avéré être biologiquement actif in vitro ou dans des plantes vivantes. Ces plantes transgéniques ne peuvent pas encore fixer leur propre azote car des composants supplémentaires sont nécessaires pour reconstruire l'enzyme nitrogénase complète, mais le travail est néanmoins révolutionnaire car il démontre pour la première fois qu'il est possible d'exprimer ces protéines très sensibles à l'oxygène de manière stable dans les plantes, et que les protéines conservent leurs activités.

Les cultures ont besoin d'azote pour leur croissance et leur productivité, car il s'agit d'un composant majeur de l'ADN, des protéines, de la chlorophylle et des molécules de stockage d'énergie telles que l'adénosine triphosphate (ATP). La plupart des cultures dépendent de l'approvisionnement en nitrate et en ammonium des engrais synthétiques industriels, mais plus de la moitié de ces intrants restent non assimilés, se déversant ou lessivant dans les rivières et les lacs en tant que source majeure de pollution.

Les cultures de légumineuses telles que les pois et les haricots abritent des bactéries qui convertissent l'azote gazeux directement en ammoniac à l'aide d'une enzyme appelée nitrogénase. Ce processus est connu sous le nom de fixation biologique de l'azote. L'introduction de gènes de nitrogénase dans les plantes cultivées fournirait la machinerie nécessaire pour fixer l'azote de manière indépendante. Cependant, le processus est extrêmement complexe car de nombreuses protéines individuelles différentes sont nécessaires non seulement en tant que composants structurels directs de la nitrogénase, mais également en tant que protéines accessoires nécessaires à son assemblage et à la fourniture d'énergie. Les principaux composants protéiques sont également extrêmement sensibles à l'oxygène.

Les chercheurs ont surmonté ce goulot d'étranglement critique en produisant de la dinitrogénase réductase fonctionnelle (protéine Fe, NifH) et la nitrogénase cofacteur maturase (NifB) dans des lignées de riz transgéniques distinctes. Les recherches sur l'expression de la nitrogénase sont généralement menées sur des plantes modèles de laboratoire. Cependant, en se concentrant sur le riz, une culture de base importante qui fournit la principale ou la seule source de calories pour plus de 2,5 milliards de personnes dans les pays en développement, l'importance et l'impact des résultats des études sont considérablement accrus.

Le chercheur principal du projet, le Dr Luis Rubio, a déclaré :« Il s'agit d'une avancée majeure en matière de bio-ingénierie, car elle supprime deux obstacles techniques et montre la voie à suivre pour fabriquer des céréales fixatrices d'azote. Cette réalisation supprime l'une des contraintes majeures entravant la fixation biologique de l'azote dans les cultures et ouvre la voie à l'assemblage d'un complexe nitrogénase complet et fonctionnel dans les plantes.

Des travaux supplémentaires pour établir des plantes contenant la nitrogénase complète auraient un impact durable sur la sécurité alimentaire mondiale. Le Dr Paul Christou, professeur de recherche à l'ICREA et chef de projet à l'Université de Lleida-Agrotecnio Center, a déclaré :"L'un des principaux impacts du travail à long terme se fera sentir dans les pays à revenu faible et intermédiaire, qui ne peuvent pas se permettre des investissements coûteux. engrais azotés."

La recherche associée a été publiée dans Communications Biology et ACS Biologie Synthétique . + Explorer plus loin