Sự biểu hiện của OsNifHHt và OsNifMAv có nguồn gốc từ lúa. Mức độ biểu hiện tương đối mRNA của OsnifHHt và OsnifMAv trong ba dòng cây lúa (các lần lặp sinh học độc lập) khác nhau (a) và dòng mô sẹo tương ứng (b). Dữ liệu (chuẩn hóa thành OsActin mRNA) là trung bình ± SD (n = 3 lần lặp lại). Phân tích miễn dịch của chiết xuất protein hòa tan từ lá lúa (c) và mô sẹo (d) được khảo sát với các kháng thể chống lại NifH, NifM và Strep-tag. Các kháng thể chống lại RuBisCO đã được sử dụng để kiểm soát tải cho các dòng thực vật. Phương pháp nhuộm Ponceau được sử dụng để kiểm soát tải cho các chất chiết xuất từ ​​mô sẹo do sự biểu hiện của RuBisCO thấp. (e) Sự biểu hiện ổn định của OsNifHHt ở thế hệ phân li T1 của dòng cây lúa HtH200. Chiết xuất protein từ mô sẹo biểu hiện OsNifHHt (dòng HtH206) được sử dụng làm đối chứng dương tính (Pos ctrl). Các khe miễn dịch chưa được cắt bỏ được hiển thị trong các Hình bổ sung. 6–10. f Kiểu hình OsNifHHt biểu hiện thế hệ con cháu T1 sinh trưởng và phát triển bình thường. Nguồn: Communications Biology (2022). DOI: 10.1038/s42003-022-03921-9. 

Các nhà nghiên cứu từ Trung tâm Công nghệ Sinh học Thực vật và Gen (CBGP, UPM-INIA), phối hợp với Đại học Lleida-Agrotecnio và Viện Nghiên cứu Chuyên sâu Catalan (ICREA), đã thành công trong việc sản xuất các loại ngũ cốc chuyển gen đầu tiên thể hiện hai thành phần quan trọng của nitrogenase - loại enzyme cố định nitơ trong khí quyển bằng cách chuyển nó thành amoniac. 

Mỗi thành phần được sản xuất cho một dòng thực vật chuyển gen riêng biệt và được chứng minh là có hoạt tính sinh học. Những cây chuyển gen này vẫn chưa thể cố định nitơ của chính chúng vì cần có các thành phần bổ sung để tái tạo lại enzym nitrogenase hoàn chỉnh, nhưng công trình này vẫn mang tính đột phá vì lần đầu tiên nó chứng minh rằng có thể biểu hiện ổn định các protein nhạy cảm với oxy cao này trong cây và rằng các protein vẫn duy trì các hoạt động của chúng. 

Cây trồng cần nitơ để tăng trưởng và tăng năng suất vì nó là thành phần chính của DNA, protein, chất diệp lục và các phân tử dự trữ năng lượng như adenosine triphosphate (ATP). Hầu hết các loại cây trồng phụ thuộc vào nguồn cung cấp nitrat và amoni từ phân bón, nhưng hơn một nửa số phân bón này không được hấp thu mà thải ra sông hồ gây ô nhiễm. 

Các loại cây họ đậu như đậu Hà Lan có chứa vi khuẩn chuyển hóa khí nitơ trực tiếp thành amoniac bằng cách sử dụng một loại enzyme gọi là nitrogenase. Quá trình này được gọi là quá trình cố định nitơ sinh học. Việc đưa gen nitrogenase vào cây trồng sẽ giúp cố định nitơ một cách độc lập. Tuy nhiên, quá trình này cực kỳ phức tạp vì nhiều protein riêng lẻ khác nhau được yêu cầu không chỉ là thành phần cấu trúc trực tiếp của nitrogenase mà còn là các protein phụ cần thiết cho quá trình tổng hợp và cung cấp năng lượng. Các thành phần chính của protein cũng cực kỳ nhạy cảm với oxy. 

Các nhà nghiên cứu đã vượt qua nút thắt quan trọng này bằng cách tạo ra enzyme di-nitrogenase reductase (protein Fe, NifH) và nitrogenase cofactor maturase (NifB) trong các dòng lúa chuyển gen riêng biệt. Nghiên cứu về sự biểu hiện của nitrogenase thường được tiến hành trên thực vật ở cấp độ phòng thí nghiệm. Tuy nhiên, bằng cách tập trung vào lúa, một loại cây trồng chủ yếu cung cấp nguồn calo chính hoặc duy nhất cho hơn 2,5 tỷ người ở các nước đang phát triển, thì tầm quan trọng và tác động của kết quả nghiên cứu này đã tăng lên đáng kể. 

TS. Luis Rubio, người tham gia chính của dự án, đưa ra nhận xét: “Đây là một tiến bộ lớn về kỹ thuật sinh học vì nó đã phá bỏ hai rào cản kỹ thuật và chỉ ra con đường tạo ra ngũ cốc cố định nitơ. Thành tựu này đã loại bỏ một trong những hạn chế chính cản trở quá trình cố định nitơ sinh học trong cây trồng và tạo tiền đề cho việc tổng hợp một phức hợp nitrogenase hoàn chỉnh và có chức năng trong thực vật”. 

Các công việc tiếp theo để thiết lập các cây trồng có chứa nitrogenase đầy đủ sẽ có tác động lâu dài đến an ninh lương thực toàn cầu. TS. Paul Christou, giảng viên tại ICREA và trưởng dự án tại Trung tâm thuộc Đại học Lleida-Agrotecnio, cho biết: “Một trong những tác động chính của công việc về lâu dài sẽ là ở các nước có thu nhập thấp và trung bình, những nước không có khả năng chi trả đắt đỏ cho phân đạm”. 

Nghiên cứu có liên quan được công bố trên tạp chí Communications Biology và ACS Synthetic Biology. 

Theo Phys.org