Фотосинтез - это естественный процесс, который растения и водоросли используют для улавливания солнечного света и преобразования углекислого газа в богатые энергией сахара, которые стимулируют рост, развитие и, в случае сельскохозяйственных культур, урожайность. Водоросли развили специализированные механизмы концентрации углекислого газа (CCM) для фотосинтеза гораздо более эффективно, чем растения. На этой неделе в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences команда из Университета штата Луизиана (LSU) и Университета Йорка сообщает о давнем необъяснимом шаге в CCM зеленых водорослей, который является ключом к разработке функционального CCM. в продовольственных культурах для повышения урожайности.
«Большинство сельскохозяйственных культур страдает от фотодыхания, которое возникает, когда Rubisco - фермент, управляющий фотосинтезом, - не может различать поддерживающий жизнь углекислый газ и молекулы кислорода, которые тратят большое количество энергии растений», - сказал Джеймс Морони, исследователь. Выпускник Стрева, профессор ЛГУ и член организации «Повышение эффективности фотосинтеза» (RIPE). «В конечном счете, наша цель состоит в том, чтобы создать CCM в посевах, чтобы окружить Rubisco большим количеством углекислого газа, сделать его более эффективным и с меньшей вероятностью захватывать молекулы кислорода - проблема, которая, как показано, усугубляется с повышением температуры».
Во главе с Университетом Иллинойса, RIPE - это международный исследовательский проект, направленный на повышение продуктивности сельскохозяйственных культур за счет улучшения фотосинтеза при поддержке Фонда Билла и Мелинды Гейтс, Американского фонда исследований в области продовольствия и сельского хозяйства (FFAR). и Департамент международного развития правительства Великобритании (DFID).
В то время как углекислый газ диффундирует через клеточные мембраны относительно легко, бикарбонат (HCO3-) диффундирует примерно в 50 000 раз медленнее из-за своего отрицательного заряда. Зеленые водоросли Chlamydomonas reinhardtii, по прозвищу Chlamy, переносят бикарбонат через три клеточные мембраны в компартмент, в котором находится Rubisco, называемый пиреноидом, где бикарбонат снова превращается в углекислый газ и фиксируется в сахаре.
«Раньше мы не понимали, как бикарбонат преодолел третий порог, чтобы попасть в пиреноиды», - сказала Ананья Мукерджи, руководившая этой работой в качестве аспиранта ЛГУ, прежде чем поступить в Университет Небраски-Линкольн в качестве постдокторанта. Исследователь. «В течение многих лет мы пытались найти недостающий компонент, но оказалось, что на этом этапе задействованы три транспортных белка, которые были недостающим звеном в нашем понимании CCM Chlamydomonas reinhardtii».
«Несмотря на то, что известны другие транспортные белки, мы предполагаем, что их легче передать растениям, потому что Chlamy более тесно связана с растениями, чем другие фотосинтезирующие водоросли, такие как цианобактерии или диатомовые водоросли», - сказал Люк Маккиндер, лектор. в Йорке, который сотрудничал с командой RIPE в этой работе при поддержке Исследовательского совета по биотехнологии и биологическим наукам (BBSRC) и Leverhulme Trust.
Создание функционального CCM в сельскохозяйственных культурах потребует трех вещей: отделения для хранения Rubisco, транспортеров для доставки бикарбоната в отделение и карбоангидразы для превращения бикарбоната в углекислый газ.
В исследовании, проведенном в 2018 году, коллеги из RIPE из Австралийского национального университета продемонстрировали, что они могут добавлять в сельскохозяйственные культуры компартмент, называемый карбоксисомой, который похож на пиреноид. Теперь это исследование завершает список возможных транспортных белков, которые могут переносить бикарбонат извне в эту карбоксисомную структуру в клетках листьев растений.
«Наше исследование показывает, что создание функционального CCM в сельскохозяйственных культурах может помочь сельскохозяйственным культурам сохранять больше воды и может значительно снизить энергозатратный процесс фотодыхания в сельскохозяйственных культурах, который ухудшается с повышением температуры», - сказал Морони. «Разработка устойчивых к климату культур, которые могут более эффективно фотосинтезировать, будет иметь жизненно важное значение для защиты нашей продовольственной безопасности."
Реализуя повышенную эффективность фотосинтеза (RIPE) - это разработка основных продовольственных культур для более эффективного преобразования солнечной энергии в продукты питания для устойчивого увеличения производства продуктов питания во всем мире при поддержке Фонда Билла и Мелинды Гейтс, Фонда США по продовольствию и сельскому хозяйству. Research и Департамента международного развития правительства Великобритании.