Растения преобразуют солнечный свет в энергию посредством фотосинтеза; однако большинство сельскохозяйственных культур на планете страдают от фотосинтетического сбоя, и чтобы справиться с этим, развился энергозатратный процесс, называемый фотодыханием, который резко подавляет их потенциал урожайности. Исследователи из Университета Иллинойса и Службы сельскохозяйственных исследований Министерства сельского хозяйства США сообщают в журнале Science, что культуры, созданные с помощью фотореспираторного сокращения, на 40 процентов более продуктивны в реальных агрономических условиях.
«Каждый год на Среднем Западе США мы могли бы кормить до 200 миллионов дополнительных людей калориями, теряемыми в результате фотодыхания», - сказал главный исследователь Дональд Орт, профессор Роберта Эмерсона в области растениеводства и растениеводства в Иллинойсе. Институт геномной биологии Вёзе. «Восстановление даже части этих калорий во всем мире будет иметь большое значение для удовлетворения быстрорастущих потребностей в продуктах питания в 21 веке, вызванных ростом населения и более богатыми высококалорийными диетами».
Это знаменательное исследование является частью международного исследовательского проекта «Реализуя повышенную эффективность фотосинтеза» (RIPE), целью которого является разработка сельскохозяйственных культур для более эффективного фотосинтеза для устойчивого повышения продуктивности продуктов питания во всем мире при поддержке Фонда Билла и Мелинды Гейтс, Фонда Исследования в области пищевых продуктов и сельского хозяйства (FFAR) и Департамент международного развития правительства Великобритании (DFID).
Фотосинтез использует фермент Rubisco - самый распространенный белок на планете - и энергию солнечного света для превращения углекислого газа и воды в сахара, которые стимулируют рост растений и урожайность. На протяжении тысячелетий Rubisco становилась жертвой собственного успеха, создавая богатую кислородом атмосферу. Не имея возможности надежно различать две молекулы, Rubisco захватывает кислород вместо углекислого газа примерно в 20 процентах случаев, в результате чего образуется токсичное для растений соединение, которое необходимо перерабатывать в процессе фотодыхания.
«Фотодыхание - это антифотосинтез», - сказал ведущий автор Пол Саут, молекулярный биолог-исследователь из Службы сельскохозяйственных исследований, работающий над проектом RIPE в Иллинойсе. «Это стоит растению драгоценной энергии и ресурсов, которые оно могло бы вложить в фотосинтез, чтобы обеспечить больший рост и урожайность».
Фотодыхание обычно идет сложным путем через три компартмента растительной клетки. Ученые разработали альтернативные пути, чтобы перенаправить процесс, резко сократив путь и сэкономив достаточно ресурсов, чтобы ускорить рост растений на 40 процентов. Это первый случай, когда искусственная фиксация фотодыхания была протестирована в реальных агрономических условиях.
«Подобно тому, как Панамский канал был инженерным достижением, которое повысило эффективность торговли, эти фотореспираторные короткие пути являются подвигом инженерии растений, которые доказывают уникальное средство для значительного повышения эффективности фотосинтеза», - сказал директор RIPE Стивен. Лонг, заведующий кафедрой растениеводства и биологии растений Ikenberry Endowed University в Иллинойсе.
Команда разработала три альтернативных маршрута, чтобы заменить извилистый родной маршрут. Чтобы оптимизировать новые маршруты, они разработали генетические конструкции с использованием различных наборов промоторов и генов, по сути создав набор уникальных дорожных карт. Они провели стресс-тестирование этих дорожных карт на 1700 заводах, чтобы отсеять лучших по производительности.
В течение двух лет повторных полевых исследований они обнаружили, что эти искусственные растения развивались быстрее, вырастали выше и производили примерно на 40 процентов больше биомассы, большая часть которой была обнаружена в стеблях, увеличенных на 50 процентов.
Команда проверила свои гипотезы на табаке: идеальном модельном растении для исследования сельскохозяйственных культур, потому что его легче модифицировать и тестировать, чем пищевые культуры, но, в отличие от альтернативных моделей растений, он развивает листовой навес и может быть испытан в полевых условиях.. Теперь команда использует эти данные для повышения урожайности сои, вигны, риса, картофеля, томатов и баклажанов.
«У Rubisco еще больше проблем с выделением углекислого газа из кислорода, поскольку он становится более горячим, вызывая больше фотодыхания», - сказала соавтор Аманда Кавана, исследователь из Иллинойса, работающий над проектом RIPE. «Наша цель - построить более совершенные заводы, способные выдержать жару сегодня и в будущем, чтобы помочь фермерам вооружить их технологиями, необходимыми для того, чтобы накормить мир».
Хотя, вероятно, потребуется более десяти лет, чтобы эта технология была внедрена в производство продовольственных культур и получила одобрение регулирующих органов, RIPE и ее спонсоры стремятся к тому, чтобы мелкие фермеры, особенно в странах Африки к югу от Сахары и Юго-Восточной Азии, будет иметь бесплатный доступ ко всем достижениям проекта.