Принося пользу окружающей среде, некоторые деревья также выделяют в атмосферу газы, которые ухудшают загрязнение воздуха и изменяют климат. Полевые испытания в Орегоне и Аризоне показали, что деревья тополя, выделяющие следовые количества газообразного изопрена, могут быть генетически модифицированы, чтобы не наносить вреда качеству воздуха, сохраняя при этом потенциал роста неизменным.
Выводы, опубликованные сегодня в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, важны, потому что насаждения тополя покрывают 9.4 миллиона гектаров (36 294 квадратных миль) по всему миру - более чем вдвое больше, чем 15 лет назад. Тополя - это быстрорастущие деревья, которые служат источником биотоплива и других продуктов, включая бумагу, поддоны, фанеру и каркасы для мебели.
Тополя и другие деревья, используемые в плантационном агролесоводстве, включая пальмы и эвкалипты, вырабатывают изопрен в своих листьях в ответ на климатический стресс, такой как высокая температура и засуха. Изопрен снимает эти стрессы, сигнализируя клеточным процессам о выработке защитных молекул; однако изопрен настолько летуч, что ежегодно в атмосферу выбрасываются миллионы метрических тонн.
Выбрасываемый изопрен вступает в реакцию с газами, образующимися при загрязнении выхлопной трубы, с образованием озона, который вызывает раздражение дыхательных путей. Изопрен также вызывает более высокий уровень образования атмосферных аэрозолей, что снижает количество прямого солнечного света, достигающего земли (эффект охлаждения), и вызывает увеличение потенциала глобального потепления метана в атмосфере (эффект нагрева). Эффект согревания, скорее всего, больше, чем эффект охлаждения. Чистый эффект выделяемого изопрена заключается в ухудшении здоровья органов дыхания и, скорее всего, в нагревании атмосферы.
Сотрудничество ученых под руководством ученых из Аризонского университета, Исследовательского центра Гельмгольца в Мюнхене, Портлендского государственного университета и Орегонского государственного университета генетически модифицировали тополя, чтобы они не производили изопрен, а затем проверили их в трех- и четырехлетних испытаниях. на плантациях в Орегоне и Аризоне.
Исследователи обнаружили, что деревья, чье производство изопрена было генетически подавлено, не страдали от вредных последствий с точки зрения фотосинтеза или «производства биомассы». Они смогли производить целлюлозу, используемую в производстве биотоплива, и расти так же хорошо, как деревья, производящие изопрен. Открытие стало неожиданностью, учитывая защитную роль изопрена в стрессовых климатических условиях, особенно в случае с плантациями в Аризоне.
«Подавление выработки изопрена в листьях запустило альтернативные сигнальные пути, которые, по-видимому, компенсируют потерю стрессоустойчивости из-за изопрена», - сказал Рассел Монсон, профессор экологии и эволюционной биологии в Университете Аризоны. и ведущий автор исследования.«Деревья продемонстрировали умную реакцию, которая позволила им справиться с потерей изопрена и прийти к тому же результату, эффективно перенося высокие температуры и засуху».
«Наши результаты показывают, что выбросы изопрена могут быть уменьшены без ущерба для производства биомассы в лесных плантациях умеренного пояса», - сказал соавтор исследования Стивен Штраус, выдающийся профессор лесной биотехнологии в Университете штата Орегон. «Это то, что мы хотели изучить - можете ли вы отказаться от производства изопрена, и имеет ли это значение для продуктивности биомассы и общего здоровья растений? Похоже, что это также не ухудшает значительно».
Исследователи использовали инструмент генной инженерии, известный как РНК-интерференция. РНК передает инструкции по кодированию белка от ДНК каждой клетки, которая содержит генетический код организма. Генетические инструменты для модификации деревьев и анализы белков, которые выявили изменения в использовании биохимических путей, были разработаны учеными из Института биохимической патологии растений Исследовательского центра Гельмгольца в Мюнхене, Германия, которые сотрудничали в исследовании.
«РНК-интерференция подобна вакцинации - она запускает естественный и высокоспецифичный механизм, посредством которого подавляются конкретные мишени, будь то РНК вирусов или эндогенные гены», - сказал Штраус. «Вы также можете сделать то же самое с помощью обычной селекции. Это было бы намного менее эффективно и точно, и это может стать кошмаром для селекционера, которому может потребоваться переоценить всю свою зародышевую плазму и, возможно, в результате исключить свои самые продуктивные сорта., но это можно сделать. Новые технологии, такие как CRISPR, сокращение от сгруппированных регулярных интервалов коротких палиндромных повторов, которые позволяют точно редактировать ДНК в определенных участках генетического кода, должны работать еще лучше».
В ходе дополнительного открытия исследователи обнаружили, что деревья способны приспосабливаться к потере изопрена, потому что большая часть роста плантаций происходит в более прохладное и влажное время года.
«Это означает, что для этого вида естественный сезонный цикл роста работает в пользу высокого производства биомассы, когда благотворное воздействие изопрена требуется меньше всего», - объяснил Монсон..
Это наблюдение также прояснило адаптивную роль изопрена в естественных лесах, где защита, повышающая выживаемость в условиях климатического стресса в середине сезона, вероятно, более важна, чем процессы, способствующие росту в начале сезона.
«Тот факт, что сорта тополя можно выращивать таким образом, чтобы смягчить атмосферное воздействие без значительного сокращения производства биомассы, вселяет в нас большой оптимизм», - сказал Монсон. «Мы стремимся к большей экологической устойчивости, разрабатывая источники биомассы в масштабах плантаций, которые могут служить альтернативой ископаемому топливу».