Ученые исправляют критический фотосинтез растений, ускоряя рост урожая на 40%
Ученые зафиксировали естественный недостаток фотосинтеза и в результате увеличили продуктивность растений на невероятные 40 процентов по сравнению с дикими родственниками.
Фотосинтез — это химическая реакция, которая позволяет растениям превращать солнечный свет и углекислый газ в пищу, и этот новый хак может привести к достаточному количеству калорий, чтобы помочь накормить еще 200 миллионов человек на нашей планете из того же объема культур.
На данный момент исправление применяется только к табачным растениям, поэтому нам еще далеко до того, чтобы использовать его для увеличения поставок продовольствия. Но это невероятно многообещающий первый шаг.
Так что же это за глюк, который нужно исправить? Это малоизвестный шаг в фотосинтезе, известный как фотодыхание.
«Мы могли бы накормить до 200 миллионов дополнительных людей калориями, потерянными при фотодыхании на Среднем Западе США каждый год», — говорит главный исследователь Дональд Орт из Института геномной биологии Университета Иллинойса им. Карла Р. Уоса.
«Восстановление даже части этих калорий во всем мире будет иметь большое значение для удовлетворения быстро растущего спроса на продукты питания в 21 веке».
Чтобы понять, что идет не так, нужно немного разобраться в случайном процессе эволюции. По бессмертным словам доктора Яна Малкольма в научно-фантастическом классическом парке юрского периода «Жизнь находит путь». Чего он не говорил, так это иногда неэффективный горячий беспорядок.
Чтобы быть справедливым, эволюция делает то, что может в данных обстоятельствах. Как аспирант, следящий за летними каникулами, этого достаточно, чтобы пройти. В конце концов, все, что нужно — это напрасная трата усилий
Для многих растений, в том числе риса и сои, когда дело доходит до фотосинтеза, это пустой проход. Мы говорим о завидном C-.
Одной из самых неуклюжих частей является ключевая стадия, включающая фермент рибулозо-1,5-бисфосфат-карбоксилазо-оксигеназу (RuBisCO), который втискивает диоксид углерода в соединение рибулозо-1,5-бисфосфат (RuBP).
Примерно в 20% случаев RuBisCO ошибочно принимает кислород за крайне важную молекулу углекислого газа (забавный факт: RuBisCO широко считается самым распространенным белком на планете).
Мало того, что это упущенная возможность, результатом этой проблемы с глюкозой являются гликолят и аммиак — два токсичных соединения, с которыми необходимо быстро разобраться, прежде чем они нанесут слишком большой ущерб.
К счастью, у растений появился способ избавиться от этого яда, называемого фотодыханием. Они не против потратить часть своей энергии на этот жизненно важный процесс переработки, если это поможет им выжить.
Но когда дело доходит до выращивания их как источника пищи, мы, конечно, делаем.
«Заводу нужны драгоценная энергия и ресурсы, которые он мог бы инвестировать в фотосинтез, чтобы добиться большего роста и урожайности», — говорит ведущий автор и молекулярный биолог Пол Саут из Службы сельскохозяйственных исследований Министерства сельского хозяйства США.
Рис, пшеница и соевые бобы страдают от этой необходимости, чтобы устранить накопление токсичных веществ. Мало того, что они являются тремя из четырех культур, от которых зависит наше население в мире для большинства наших калорий, мы можем ожидать, что их урожай снизится в будущем благодаря глобальному потеплению.
«RuBisCO испытывает еще больше проблем с выделением углекислого газа из кислорода, так как он нагревается, вызывая большее фотореспирацию», — говорит соавтор Аманда Кавана из Университета Иллинойса.
За эти годы были предприняты многочисленные попытки найти способы заставить сельскохозяйственные растения избежать необходимости детоксикации.
Многие из них связаны с поиском наиболее эффективных методов фотореспирации, применяемых другими организмами, в том числе различными водорослями и бактериями.
Это последнее усилие называется «Реализация повышенной эффективности фотосинтеза» ( RIPE ), и его подход заключался в отборе генов из других источников и их тестировании.
Горстка произошла из пути окисления гликолата бактерии E.coli . Во втором варианте использовали ген каталазы также из E.coli , а некоторые — гликолатоксидазу и малатсинтазу из растений.
Субъект номер три использовал ген растительной малат-синтазы и ген зеленых водорослей для гликолятдегидрогеназы.
Они были использованы в сочетании с другими генетическими изменениями, чтобы найти наиболее энергоэффективный путь среди 17 различных конструкций.
Третий путь фотореспирации был тем, который отличался от остальных в конечных результатах, метаболическая активность возрастала более чем на 40 процентов по сравнению с контролем. Эта полученная энергия приводит к большей урожайности.
Еще неизвестно, будут ли эти самые повышения эффективности переведены на другие культуры, но исследователи работают над этим.
Жизнь не всегда находит выход. Но если мы хотим доставить еду туда, где она нужна в будущем, науке придется.
Это исследование было опубликовано в журнале Science .
