口袋K。46:氮气使用高效的生物技术作物

氮是植物的主要营养素之一需要生存,除了磷和钾。它是重要的植物生长和发展,尤其是在代谢过程,如核酸的生产,蛋白质,和其他辅助分子。它是一个基本组件的植物的绿色颜料称为叶绿素,这对光合作用是至关重要的。1氮是大气中丰富但不容易获得植物。时可以用它由植物转化成氨从固定由细菌分子氮含量。

植物的氮用

生物固氮作用发生在一些植物通过代谢活动的独立生存的或共生细菌。一个常见的共生细菌参与固氮作用被称为根瘤菌攻击和繁殖在豆科植物的根部营养。大约一周后的感染,白色或灰色结节形成的根源。细菌通过固氮酶的酶的作用,氮气体(N2)转化为氨(NH3)。植物使用氨生产氨基酸和其他分子氮含量。2然后增加结节大小,粉红色的,表明固氮作用发生。粉色的颜色是由于豆血红蛋白,蛋白质控制氧气流量的细菌。3.植物不形式对细菌必须从土壤中氮。然而,频繁使用农田变成了耗尽土壤的氮。因此,应用氮肥料。

氮肥的发现以来,使用合成氮急剧增加导致显著增加作物产量。然而,只有30 - 50%的应用被植物吸收氮和氮的浪费对环境造成严重的影响。它可以导致藻华和缺氧(减少氧气在水中)导致重大损失的水生生物多样性导致臭氧的损耗和全球变暖。因此,科学家寻找更环保和具有成本效益的策略来提高作物的氮利用效率。这些策略之一是基因工程的使用。4

基因工程氮用

改善植物的氮利用效率需要操作多个基因参与的氮吸收,易位,和再活化;碳代谢;信号目标;和监管元素。来自不同来源的多个基因(表1)来控制这些过程和研究发现如果操纵基因可以导致提高氮的植物使用。5

表1。基因的研究提高氮的使用

基因(s)和来源

结果(年代)

参考

nif基因
肺炎克雷伯菌

固氮酶激活函数大肠杆菌

求爱者Abhijita,2013

GS1
烟草

提高粮食产量和生物量以及改善小麦氮含量,烟草,和玉米

奥利维拉et al .,2002

AS1
拟南芥

改善种子可溶性蛋白质含量,总蛋白质含量,nitrogen-limiting介质和更好的增长

林et al .,2003

Dof1
玉米

氮限制条件下改进的增长以及提高氮素同化

平贺柳泽,2000

OsNADH-GOGAT1
大米

增加小穗体重高达80%的大米

Yamaya et al .,2002

AlaAT
大麦

生产和降解丙氨酸(函数作为细胞间氮和碳航天飞机)在大米

Shrawat et al .,2008

STP13
拟南芥

改善植物生长和氮使用

斯科菲尔德et al .,2009

熔炼的作物的地位

玉米
下的作物之一,研究氮利用效率改进的玉米,一个重要的全球粮食作物,需要密集的氮肥。然而,像大多数作物,玉米只能吸收少量的氮,应用导致经济问题种植者。在2008年,阿凯迪亚生物科学公司杜邦和宣布,他们已经完成了五年的多个玉米田间试验导致改善氮利用效率,因此可以导致农业经济以及改善环境的积极作用。6

小麦
在2012年,澳大利亚植物功能基因组学中心(ACPFG)和联邦科学与印第安纳州­­­ustrial研究组织(CSIRO)宣布与Vilmorin & Cie合作发展中氮利用效率小麦,目的是减少氮肥的使用在澳大利亚。发展中熔炼的小麦将显著影响世界人口的35%,小麦是主要作物,代表蛋白质摄入总量的20%。7

CSIRO已申请一个许可证交易涉及17个小麦大麦线和10号线已转基因在有限的范围内提高养分利用率和控制条件。8

大米
大米是第二大农作物和主食超过全球人口的一半。阿卡迪亚生物科学,非洲农业技术基金会(AATF),国际热带农业中心(CIAT)的报道,2013年,两年的田间试验的氮利用效率水稻在哥伦比亚已经完成。研究人员综合与非洲新水稻氮利用效率的技术(新稻)品种由非洲水稻中心。试验结果表明,与应用程序通常数量的50%,转基因水稻out-yielded行传统的新稻品种22%试验和30%的第一年。9

油菜
油菜是世界上最重要的油料作物之一。种子包含44%的石油,这是大豆的含油量的两倍多。菜籽油有有益心脏健康的特点,也可以用作生物柴油由于其性能异常寒冷的天气。在2007年,阿卡迪亚生物科学已经完成了5个赛季的油菜田间试验。试验的结果表明,油菜产量相同的常规品种,但只有一半所需的氮输入使用。当相同数量的氮与传统植物,产量增加了15%。10

甜菜叶片
SES VanderHave阿凯迪亚生物科学公司,进行了三年的田间试验来评估熔炼的甜菜品种的产量表现。结果表明,实验品种产生更高的收益比控制在不同肥料应用多个多年。他们现在准备监管数据将用于所有熔炼技术许可。11

甘蔗
甘蔗种植面积为2500万公顷,在世界范围内,使其成为世界上最大的糖类作物。氮肥是提高甘蔗的产量的一个重要因素。阿凯迪亚生物科学公司南非甘蔗研究所和2011年宣布他们的合作生产高产甘蔗品种要求所需的氮肥量的一半传统甘蔗品种。12

未来前景氮使用

长期的示踪研究显示,30年之后应用氮肥在1982年农业土壤,12 - 15%的fertilizer-derived仍驻留在土壤有机质,氮而8 - 12%的化肥已经向地下水泄露。剩余的部分氮肥在土壤将继续被作物和泄漏对地下水硝酸盐的形式至少50年,比之前认为的更久。13氮的发展使用高效的作物,环境问题等的研究发现将消除或至少减少了。与此同时,农民将减少氮肥的经济损失,为其他农业投入和使用他们的资源williamhill,甚至更多的作物种子得到更多的收获。

参考文献

1工程使用氮高效的作物。2012.C。H。麦卡利斯特,P。H。比蒂,和一个。G。好。植物生物技术。J。,DOI: 10.1111/j.1467-7652.2012.00700.x。

2,4生物学(第六版)。2001.R。乌鸦,G。约翰逊,年代。歌手,J。Losos,W。欧博,和C。驻军。麦格劳-希尔。

3. 由豆科植物固氮。2003.后来林德曼。C.R.格洛弗。新墨西哥州立大学。http://aces.nmsu.edu/pubs/_a/A129/

5,8提高氮肥利用效率。2011.水银血压计帕沙克,年代。Lochab,和N。Raghuram。:穆雷Moo-Young(主编),综合生物技术,第二版,卷4,页。209 - 218。爱思唯尔。

6 阿凯迪亚生物科学公司杜邦和协作来提高玉米氮利用效率。2008.世外桃源生物科学。http://www.arcadiabio.com/news/press-release/dupont-and-arcadia-biosciences-collaborate-improve-nitrogen-use-efficiency-corn

7ACPFG和CSIRO会师Vilmorin & Cie商业化氮利用效率在澳大利亚小麦。2012.CSIRO。http://www.csiro.au/Organisation-Structure/Flagships/Food-Futures-Flagship/FFF_News/NUEAgreement.aspx

9田间试验的新氮利用效率水稻提高生产率,从而增加了粮食安全,减少化肥的依赖。2013.世外桃源生物科学。http://www.arcadiabio.com/news/press-release/field-trials-new-nitrogen-use-efficient-rice-show-increased-productivity-leading

10开发商用氮利用效率油菜品种显示早期发展成功。2007.世外桃源生物科学。http://www.arcadiabio.com/news/press-release/development-commercial-nitrogen-use-efficient-canola-varieties-shows-early-develo

11Sesvanderhave阿凯迪亚生物科学公司和实现领域性能里程碑氮使用高效的甜菜。2012.Sesvanderhave。http://www.sesvanderhave.com/sites/default/files/files/12_06_04_SES_PR_Final.pdf

12阿卡迪亚生物科学和南非甘蔗研究所开发氮使用高效的甘蔗。2011.世外桃源生物科学。http://www.arcadiabio.com/news/press-release/arcadia-biosciences-and-south-african-sugarcane-research-institute-develop-nitrog

13长期硝酸盐肥料在农业土壤的命运。2013.M。Sebilo,B。迈耶,B。Nicolardot,G。Pinay,和一个。Mariotti。美国国家科学院院刊》上的美利坚合众国。DOI:10.1073 / pnas.1305372110。http://www.pnas.org/content/early/2013/10/15/1305372110

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