Растения - это фабрики, производящие урожай из света и углекислого газа, но часть этого сложного процесса, называемого фотосинтезом, затруднена из-за нехватки сырья и оборудования. Согласно новому исследованию, опубликованному в Nature Plants, чтобы оптимизировать производство, ученые из Университета Эссекса устранили два основных узких места фотосинтеза, чтобы повысить продуктивность растений на 27 процентов в реальных полевых условиях. Это третий прорыв в исследовательском проекте «Повышение эффективности фотосинтеза» (RIPE); однако было также показано, что этот фотосинтетический прием экономит воду.
«Подобно фабричной линии, заводы работают настолько быстро, насколько быстры их самые медленные машины», - говорит Патриция Лопес-Кальканьо, исследователь с докторской степенью в Эссексе, руководившая этой работой в рамках проекта RIPE. «Мы определили несколько более медленных шагов, и то, что мы делаем, позволяет этим растениям создавать больше машин, чтобы ускорить эти более медленные шаги в фотосинтезе».
Проект RIPE - это международная инициатива под руководством Университета Иллинойса, направленная на создание более продуктивных культур за счет улучшения фотосинтеза - естественного процесса, работающего под действием солнечного света, который используют все растения для превращения углекислого газа в сахара, стимулирующие рост, развитие, и, в конечном итоге, дать результат. RIPE поддерживается Фондом Билла и Мелинды Гейтс, Американским фондом исследований в области продовольствия и сельского хозяйства (FFAR) и Министерством международного развития правительства Великобритании (DFID).
Производительность фабрики снижается, когда поставки, транспортные каналы и надежное оборудование ограничены. Чтобы выяснить, что ограничивает фотосинтез, исследователи смоделировали каждый из 170 этапов этого процесса, чтобы выяснить, как растения могут более эффективно производить сахар.
В этом исследовании команда увеличила рост урожая на 27 процентов, устранив два ограничения: одно в первой части фотосинтеза, когда растения преобразуют энергию света в химическую энергию, и одну во второй части, где углекислый газ фиксируется в сахарах..
Внутри двух фотосистем солнечный свет улавливается и превращается в химическую энергию, которую можно использовать для других процессов фотосинтеза. Транспортный белок, называемый пластоцианином, перемещает электроны в фотосистему, чтобы подпитывать этот процесс. Но пластоцианин имеет высокое сродство к своему акцепторному белку в фотосистеме, поэтому он зависает, не в состоянии эффективно перемещать электроны туда и обратно.
Команда устранила это первое узкое место, помогая пластоцианину разделить нагрузку с добавлением цитохрома с6 - более эффективного транспортного белка, который выполняет аналогичную функцию в водорослях. Пластоцианин требует меди, а цитохром требует железа для функционирования. В зависимости от наличия этих питательных веществ водоросли могут выбирать между этими двумя транспортными белками.
В то же время команда улучшила узкое место фотосинтеза в цикле Кальвина-Бенсона, при котором углекислый газ фиксируется в сахарах, увеличив количество ключевого фермента, называемого SBPase, позаимствовав дополнительный клеточный механизм у другие виды растений и цианобактерии.
Добавив «клеточные вилочные погрузчики» для перемещения электронов в фотосистемы и «клеточные механизмы» для цикла Кальвина, команда также улучшила эффективность использования воды растениями, или отношение произведенной биомассы к воде, потерянной растением..
«В ходе наших полевых испытаний мы обнаружили, что эти растения используют меньше воды для производства большего количества биомассы», - сказала главный исследователь Кристин Рейнс, профессор Школы наук о жизни в Эссексе, где она также является про- Вице-канцлер по научной работе.«Механизм, ответственный за это дополнительное улучшение, еще не ясен, но мы продолжаем исследовать его, чтобы понять, почему и как это работает».
Эти два улучшения в сочетании показали увеличение урожайности на 52 процента в теплице. Что еще более важно, это исследование показало 27-процентное увеличение роста урожая в полевых испытаниях, что является настоящей проверкой любого улучшения урожая, демонстрируя, что эти фотосинтетические приемы могут повысить урожайность в реальных условиях выращивания.
«Это исследование дает прекрасную возможность потенциально объединить три подтвержденных и независимых метода достижения 20-процентного повышения урожайности», - сказал директор RIPE Стивен Лонг, заведующий кафедрой растениеводства и биологии растений Университета Икенберри в Carl R. Институт геномной биологии Вёзе в Иллинойсе. «Наше моделирование предполагает, что совмещение этого прорыва с двумя предыдущими открытиями проекта RIPE может привести к дополнительному увеличению урожайности продовольственных культур на 50-60%."
Первое открытие RIPE, опубликованное в журнале Science, помогло растениям адаптироваться к меняющимся условиям освещения и повысить урожайность на целых 20 процентов. Второй прорыв проекта, также опубликованный в журнале Science, позволил сократить путь растений к сбоям в фотосинтезе, чтобы повысить продуктивность на 20-40 %..
Далее команда планирует перенести эти открытия на табак - модельную культуру, используемую в этом исследовании в качестве испытательного стенда для генетических улучшений, поскольку ее легко сконструировать, выращивать и тестировать - на основные продовольственные культуры, такие как маниоки, вигны, кукурузы, сои и риса, которые необходимы для того, чтобы прокормить наше растущее население в этом столетии. Проект RIPE и его спонсоры стремятся обеспечить глобальный доступ и сделать технологии проекта доступными для фермеров, которые в них больше всего нуждаются.
Реализация повышения эффективности фотосинтеза (RIPE) направлена на улучшение фотосинтеза, чтобы обеспечить фермеров во всем мире высокоурожайными культурами, чтобы у каждого было достаточно еды для здоровой и продуктивной жизни. Этот международный исследовательский проект спонсируется Фондом Билла и Мелинды Гейтс, Американским фондом исследований в области продовольствия и сельского хозяйства (FFAR) и Министерством международного развития правительства Великобритании (DFID).
RIPE возглавляет Университет Иллинойса в партнерстве с Австралийским национальным университетом, Китайской академией наук, Организацией научных и промышленных исследований Содружества, Ланкастерским университетом, Университетом штата Луизиана, Калифорнийским университетом, Беркли, Кембриджским университетом, Университет Эссекса и Министерство сельского хозяйства США, Служба сельскохозяйственных исследований.