Ученые исправляют проблемы с фотосинтезом, чтобы растения росли на 40% больше

Весь этот кислород, которым вы наслаждаетесь, дышит не просто волшебным образом в атмосфере. Земля пригодна для жизни, потому что растения по всему миру откачивают кислород в качестве побочного продукта фотосинтеза, и некоторые из них, кроме того, становятся вкусными пищевыми культурами. Тем не менее, фотосинтез не идеален, несмотря на многие эоны эволюционного совершенствования. Ученые из Университета Иллинойса работали, чтобы исправить недостатки в фотосинтезе, и это могло бы повысить урожайность на целых 40 процентов.

В основе нового исследования лежит процесс у растений, называемый фотодыханием, который является не столько частью фотосинтеза, сколько следствием этого. Как и многие биологические процессы, фотосинтез не работает правильно 100 процентов времени. Фактически, одна из основных реакций в фотосинтезе эффективна только на 75 процентов. Изменение происходит в процессе, который предпринимают растения из-за этой неэффективности.

В процессе фотосинтеза растения берут воду и углекислый газ и перерабатывают его для создания сахаров (пищи) и кислорода. Растениям не нужен кислород, поэтому его удаляют. К счастью, нам нужен кислород, и мы выдыхаем углекислый газ.

Проблема, рассматриваемая в новом исследовании, связана с ферментом, называемым рибулозо-1,5-бисфосфаткарбоксилазооксигеназой (RuBisCO). Этот белковый комплекс присоединяет молекулу диоксида углерода к рибулозо-1,5-бисфосфату (RuBP). Со временем атмосфера Земли стала более насыщенной кислородом, и это означает, что RuBisCO приходится справляться с большим количеством молекул кислорода, смешанных с углекислым газом. Примерно четверть времени RuBisCO по ошибке захватывает молекулу кислорода, и это имеет последствия внутри растения.

Когда RuBisCO портится, растения остаются с токсичными побочными продуктами, такими как гликолят и аммиак. Для обработки этих соединений требуется энергия (посредством фотодыхания), которая добавляется к потере энергии из-за неэффективности фотосинтеза. Авторы исследования отмечают, что рис, пшеница и соевые бобы страдают от этого сбоя, и RuBisCO становится еще менее точным при повышении температуры. Это означает, что запасы продовольствия могут снизиться, так как глобальное потепление становится более серьезным.

Это исправление является частью программы под названием «Повышение эффективности фотосинтеза» (RIPE) и основано на внедрении новых генов, улучшающих рост. Обычно фотореспирация проходит сложным и обходным путем через три различных клеточных органеллы. Он потребляет АТФ (энергетическая валюта клеток), которая должна сделать растение больше и сильнее. RIPE фокусируется на том, чтобы сделать фотодыхание более быстрым и энергоэффективным.

Команда разработала три альтернативных пути, используя новые генетические последовательности. Они оптимизировали эти пути на 1700 различных заводах, чтобы определить лучшие подходы. В течение двух лет исследователи проверяли последовательности с использованием модифицированных растений табака. Это обычное растение в науке, потому что его геном исключительно хорошо понят.

Эти растения произвели примерно на 40 процентов больше биомассы, чем немодифицированные растения. Это указывает на то, что более эффективные пути фотодыхания экономят растение значительную энергию, которая может вместо этого идти к росту. Следующим шагом является включение генов в такие продовольственные культуры, как соя, вигна, рис и помидоры.

Может потребоваться несколько лет, чтобы интегрировать пересмотренные гены фотодыхания в продовольственные культуры, которые являются более сложными, чем табак. Полученные в результате растения должны были бы быть одобрены регулирующими органами для потребления человеком - это нелегкий подвиг сам по себе, и существует частая антинаучная оппозиция генетически модифицированным культурам. RISE поддерживается некоммерческими организациями по всему миру, включая Фонд Билла и Мелинды Гейтс. Любые семена, разработанные в рамках RISE, будут доступны бесплатно.