美国和英国的科学家合作设计未来的作物

四个团队的研究人员在美国和英国最近获得了超过1200万美元开始小说研究的项目彻底改变目前的农业方法通过给农作物茁壮成长不使用昂贵的能力,人工肥料污染。

四个高度创新项目包括:为了利用合成生物学为植物创造新的有用的组件;全球寻找神秘的失去与细菌重要的独特功能;工程师工作有益的植物和微生物之间的关系;和努力模仿巧妙的策略受雇于蓝绿藻。

美国国家科学基金会(NSF)和英国的生物技术和生物科学研究委员会(BBSRC)颁奖后一个“思想实验”,关注新方法处理氮的挑战的日益增长的全球粮食需求。NSF仅仅授予的四个项目之一。

植物需要氮增长,到2015年,超过1.904亿吨,它将需要世界粮食供应。大多数农场依赖大量的工业生产,富氮肥料以确保农作物产量,但是这样做有权衡。

人工化肥生产昂贵和使用大量的化石燃料。他们还从土壤退化产生的环境问题向河流径流污染新鲜的水域和沿海地区。因此,作物需要的另一种选择,他们可以收集所需的氮。

根据研究,有大量的进行氮在大气中,但这是无法使用。大气氮需要“固定”,他们说,这意味着它需要转化成植物可以利用的形式。

从NSF和BBSRC与资金,这些项目提供技术垫脚石——减少对人造肥料的需要通过使作物修复自己的氮。

“人工的依赖氮化肥对粮食作物生产和破坏环境的影响在很多方面被低估,”约翰·温菲尔德说,NSF生物科学的助理主任。“幸运的是,有科学家关注这些人工化肥可以被丰富的大气氮取代。NSF的创意实验室氮项目投资提供了一个独特的机会来进行交叉学科的科学家和工程师创造新颖和创新的方法创造性地解决全球问题。”

“创意实验室的输出提供了新的思想和新的方法来养活不断增长的人口的挑战以可持续的方式,”道格拉斯·凯尔BBSRC首席执行官说。“通过结合世界领先的美国和英国的研究人员,我们反思当前的农业实践。多亏了这激动人心的研究,未来的农场有一天生产不依赖昂贵的作物和人造化肥污染。”

四个思想实验项目:

Nitroplast: Light-Driven合成固氮细胞器——1.89美元

戴瓦克依Bhaya,华盛顿卡内基研究所的;约翰·h·Golbeck,宾州州立大学;克里斯托弗·a·沃伊特麻省理工学院;苏珊伐木工人,格拉斯哥大学;伦敦帝国学院的比尔•卢瑟福

这个项目的目标是设计和建造一个人工合成生物模块,它可以工作在一个细胞进行“修复”氮对植物的功能。

一些形似植物的细菌(蓝藻)能够解决氮利用太阳能通过专门的细胞机制。科学家们希望重新设计这个机器,以便它可以被转移到一个新的宿主细菌的底盘。这将需要识别和固氮基因的转移以及改变细胞的过程。

“大自然给了我们一个工具箱的功能单元,我们可以使用它来构建复杂的生物模块,“说戴瓦克依Bhaya华盛顿卡内基研究所的。“我们的目标是使用这些构建一种新型合成氮固定单元,可以转移到其他主机,最终给植物新功能。这可能意味着未来的作物可以利用我们周围的氮不需要肥料。”

Oxygen-Tolerant固氮酶——1.87美元

麻仁弗密歇根州立大学;比尔卢瑟福和马丁·巴克,伦敦帝国理工学院;

独特的细菌,发现在德国炭坑在90年代,可以使植物修复的关键在于自己的氮。然而,只有一个记录看到的细菌,它生长在有毒的环境。现在,科学家们将冲刷的角落,寻找夏威夷火山,美国煤层火灾和德国火难以捉摸的heat-lover坑,以恢复失去的潜力。

“重新发现这种细菌,或类似的属性,将会改变,”麻仁Friesen密歇根州立大学首席研究员说。“它包含一个不寻常的修复系统氮氧的存在,这将使我们能够飞跃过去普遍的绊脚石。它所包含的酶可能是缺失的拼图在创建固氮植物。”

在自然界中,修复大气氮的反应成生物可用的形式需要一种叫做固氮酶的酶。酶抑制了氧气,使其正常含氧细胞的无用的植物。虽然有些生物固氮,他们必须有特殊的适应极限氧。然而,失去了细菌有一个独特的固氮酶能够固氮在富氧环境中,消除了氧的限制要求。这可能是非常有用的在固氮植物的发展。

弗瑞森和他的同事们希望能找到原始菌株,以及新oxygen-tolerant固氮菌株,在这些看似荒凉的环境。团队将这些菌株的遗传学和生物化学研究以期转移oxygen-tolerant固氮酶植物。

工程合成之间的共生植物和细菌提供氮作物——5.09美元

约翰·w·彼得斯,蒙大拿州立大学;威斯康辛大学麦迪逊jean - michel一;麻省理工学院的克里斯托弗•沃伊特;迈克尔•Udvardi塞缪尔·罗伯茨诺贝尔基金会;菲利普·普尔和贾尔斯奥尔德罗伊德,约翰英纳斯中心

有些植物开发与细菌的共生关系密切。这些细菌在根结节和空气中的氮气发现大量转化为氮肥,植物需要的增长。研究人员希望这种固氮过程转移到重要的农作物提供不使用人工化肥氮。

研究人员将基因改变固氮细菌和一个简单的草地物种,这是类似于更复杂的谷类食品,如玉米,以确保锁和关键植物和微生物之间的相互作用,同时最大限度地提高固氮细菌和有用的氮的数量交付给工厂。

“这项研究铺平了道路的“绿色革命”将资源贫乏的农民增加粮食产量,减少工业化肥的使用和环境影响富裕农民,”Philip Poole说从英格兰的约翰英纳斯中心,进行植物和微生物科学研究和培训。

项目的固氮细菌将基因调整应对植物信号和营养需要控制氮肥的生产工厂。

一旦研究人员完善技术,他们希望开发有效的玉米和固氮细菌之间的相互作用。

设计固氮能力氧光合细胞——3.87美元

Himadri b . Pakrasi Tae Seok月亮和Fuzhong,圣路易斯华盛顿大学;科斯塔斯·d·Maranas,宾州州立大学;

这个nsf(项目的目标是开发设计原则建立在氧光合生物固氮能力,单细胞藻青菌。蓝藻是蓝绿藻的某些菌株能够收集和转换大气氮。

研究圣路易斯华盛顿大学的生物学家Himadri b Pakrasi将尝试使用巧妙的策略受雇于藻青菌来定义的最低要求固氮作用发生在光合细胞,包括农作物。研究人员还将试图工程师植物细胞能够修复大气氮素转化为有用的化合物。