Согласно исследованию, опубликованному 10 января в журнале Molecular Plant, новый биоинженерный подход к повышению фотосинтеза в растениях риса может увеличить урожай зерна на 27%. Подход, называемый обходом ГОК, обогащает растительные клетки CO
2, который в противном случае был бы потерян в результате метаболического процесса, называемого фотодыханием. Генетически модифицированные растения были зеленее и крупнее, продемонстрировали повышенную эффективность фотосинтеза и продуктивность в полевых условиях, особенно при ярком освещении.
«Нехватка продовольствия, связанная с ростом населения мира, станет серьезной проблемой, с которой придется столкнуться нашей планете», - говорит старший автор исследования Синь-Сян Пэн из Южно-Китайского сельскохозяйственного университета в Гуанчжоу, Китай. «Наше исследование может серьезно повлиять на эту проблему, значительно увеличив урожайность риса, особенно в районах с ярким освещением».
Биоинженерное улучшение риса, основной пищевой культуры во всем мире, имеет большое практическое значение, особенно в свете необходимости повышения урожайности сельскохозяйственных культур в связи с ростом населения мира и сокращением площади пригодных для возделывания почв. Но увеличение урожайности риса и некоторых других основных культур в последние годы было незначительным, и урожайность, похоже, достигла потолка максимального потенциала.
Основной генетический подход к увеличению потенциальной урожайности основных сельскохозяйственных культур фокусируется на фотосинтезе, биохимическом процессе, в котором CO2 и вода превращаются в O2 и богатые энергией сахарные соединения, стимулирующие рост растений. Одним из способов увеличения фотосинтеза является обход фотодыхания, светозависимого процесса, в котором поглощается O2 и высвобождается CO2. Стоимость фотодыхания огромна. Отказ от фотодыхания может привести к увеличению фотосинтеза на 55%, поставив фотодыхание на центральное место в попытках улучшить эффективность фотосинтеза и урожайность.
За последние несколько лет в растения были введены три фотореспираторных шунта, и два из них привели к заметному увеличению фотосинтеза и выхода биомассы. Но большинство экспериментов было проведено с использованием модельного организма Arabidopsis, и увеличение обычно наблюдалось в контролируемых условиях окружающей среды, при слабом освещении и коротком дне. «Насколько нам известно, наше исследование является первым, в котором проверялось обходное фотодыхание у риса», - говорит соавтор Чжэн-Хуэй Хэ из Университета штата Сан-Франциско.
В новом исследовании ученые разработали стратегию существенного переключения CO2 с фотодыхания на фотосинтез. Они преобразовали молекулу под названием гликолат, которая производится посредством фотодыхания, в CO2 с помощью трех ферментов риса: гликолатоксидазы, оксалатоксидазы и каталазы. Чтобы внедрить обходной путь ГОС, названный в честь трех ферментов, исследователи ввели гены, кодирующие ферменты, в хлоропласты риса - органеллы, в которых происходит фотосинтез в растительных клетках.
В результате скорость фотодыхания была подавлена на 18%-31% по сравнению с нормой, а чистая скорость фотосинтеза увеличилась на 15%-22%, в первую очередь за счет более высоких концентраций клеточного CO 2 используются для фотосинтеза. По сравнению с растениями, не подвергшимися генной инженерии, растения GOC всегда были зеленее и крупнее, а надземная сухая масса была на 14-35% выше. При этом крахмальные зерна увеличились в размерах на 100% и увеличились в количестве в клетке на 37%. В весенний сев урожайность зерна увеличилась на 7% до 27%.
Двигаясь вперед, исследователи планируют оптимизировать производительность искусственных растений в полевых условиях, применяя такой же обходной путь метаболизма в других сортах риса. Они также хотели бы применить тот же подход к другим сельскохозяйственным культурам, таким как картофель.
«Наши инженерные установки могут быть развернуты на полях в более крупных масштабах после дополнительных оценок, проведенных независимыми исследователями и государственными учреждениями», - говорит Пэн. «Хотя мы не ожидаем, что этот подход повлияет на вкус этих растений, как пищевая ценность, так и вкус еще должны быть всесторонне оценены независимыми лабораториями и государственными учреждениями».