Ученые из Института Бойса Томпсона (BTI) и Корнельского университета усилили тягу к углероду ферментом под названием RuBisCO для ускорения фотосинтеза в кукурузе. Открытие обещает стать ключевым шагом в повышении эффективности сельского хозяйства и урожайности, согласно новому исследованию в журнале Nature Plants от 1 октября.
Увеличенный уровень RuBisCO помогает биологическому механизму кукурузы, используемому во время фотосинтеза, превращать углекислый газ из атмосферы в углеводы.
«Каждый метаболический процесс, такой как фотосинтез, имеет эквивалент светофора или лежачего полицейского», - сказал биолог растений Дэвид Стерн, президент BTI, аффилированного с Корнеллом.«RuBisCO часто является ограничивающим фактором фотосинтеза. Однако с увеличением количества RuBisCO этот хорошо известный полицейский снижается, что приводит к повышению эффективности фотосинтеза».
RuBisCO имеет официальное научное название. Это рибулоза-1, 5-бисфосфаткарбоксилаза/оксигеназа, фермент, который помогает превращать углекислый газ в сахар. Общепризнано, сказал Стерн, что это самый распространенный фермент на Земле.
Но для мира коммерческого сельского хозяйства и системы фотосинтеза кукурузы C4 (четырехуглеродное соединение) RuBisCO работает медленно.
Исследователи BTI нашли способ сверхэкспрессии ключевого фермента-шаперона, называемого фактором сборки RuBisCO 1, или RAF1, чтобы помочь производить больше RuBisCO.
«Для самосборки ему нужна помощь других белков», - говорит ведущий автор Корали Салес, докторант Корнелльского университета в области биологии растений.
С помощью шаперонового фермента ученые, по сути, снизили другой «лежачий полицейский» - тот, который ограничивает скорость, с которой RuBisCO может достичь правильной биологической архитектуры, - заставляя растения накапливать больше его.
Точный механизм сборки RuBisCO оставался загадкой в течение многих лет, пока не были обнаружены белки RAF1 и RAF2, сказал Салессе.
Салесс проводил исследования в лабораториях Роберта Шарвуда и Флориана Буша в Австралийском национальном университете и в лаборатории Стивена Лонга в Иллинойском университете. Salesse обнаружил, что увеличение количества RuBisCO заставляет растения, выращенные в теплицах, быстрее цвести, расти выше и производить больше биомассы.
Кукуруза является важной, но земле- и энергоемкой культурой, и важно уменьшить ее воздействие на окружающую среду. Только в этой стране кукуруза выращивается примерно на 90 млн акров, и за последние годы было произведено почти 15 млрд бушелей «, - сказал Стерн, адъюнкт-профессор биологии растений Корнелла. Он объяснил, что существуют разные подходы к увеличению биомассы на акр, включая усиление фотосинтеза, который может увеличить вес каждого початка кукурузы и, таким образом, урожайность с акра.
Штерн отметил - с этим открытием - что тот же подход может обещать повысить урожайность других культур C4, таких как сорго и сахарный тростник.
«По мере того, как мы переходим от теплиц к полям, мы надеемся в конечном итоге наблюдать улучшение роста и урожайности производственных сортов», - сказал он. «Турбонаддув RuBisCO может заложить основу для глубокого воздействия на способность растений кукурузы созревать и производить биомассу, особенно в сочетании с другими подходами».