Растения, такие как соевые бобы и пшеница, выделяют от 20 до 50 процентов своей энергии, перерабатывая токсичные химические вещества, образующиеся, когда фермент Rubisco - самый распространенный фермент в мире - захватывает молекулы кислорода вместо молекул углекислого газа. Согласно новому исследованию, проведенному учеными из Университета Эссекса, опубликованному сегодня в журнале Plant Biotechnology Journal, увеличение производства обычного природного белка в листьях растений может повысить урожайность основных пищевых культур почти на 50 процентов.
Эта работа является частью международного исследовательского проекта «Реализуя повышенную эффективность фотосинтеза» (RIPE), который поддерживается Фондом Билла и Мелинды Гейтс, Фондом исследований в области продовольствия и сельского хозяйства и Министерством международного развития Великобритании.
В этом исследовании команда разработала модель культуры для сверхэкспрессии нативного белка, который участвует в процессе рециркуляции, называемом фотодыханием. За два года полевых испытаний они обнаружили, что увеличение количества H-белка в листьях растений увеличивает продуктивность на 27-47 процентов. Однако увеличение содержания этого белка в растении замедляет рост и метаболизм, в результате чего четырехнедельные растения вдвое меньше своих неизмененных собратьев.
«Ученые-растения традиционно использовали промоторы, которые экспрессируют белки на высоком уровне по всему растению, и есть много примеров, когда это работало очень хорошо», - сказала ведущий автор Патриция Лопес-Кальканьо, старший научный сотрудник Эссекса.. «Но для H-белка мы показали, что больше не всегда лучше, продемонстрировав, что, когда мы применим этот метод к другим культурным растениям, нам нужно будет настроить изменения в белке на правильные уровни в правильных тканях».
Предыдущие исследования повысили уровень H-белка в арабидопсисе, небольшом модельном растении, используемом в лабораторных экспериментах. Это первый случай, когда H-белок был оценен в культуре в реальных условиях выращивания. Команда использовала табак, которого многие считают лабораторной крысой в биологии растений, потому что его легко генетически спроектировать, и его можно быстро вырастить и протестировать в полевых испытаниях на открытом воздухе. Как только будет доказана эффективность модификации табака, тот же подход может быть применен к продовольственным культурам, которые необходимы для того, чтобы прокормить наше растущее население.
«Реальность такова, что по мере того, как температура вегетационного периода продолжает расти, потери урожая, вызванные фотодыханием, также будут увеличиваться», - сказал соавтор Пол Саут, научный сотрудник USDA-ARS в Институте Карла Р. Вёзе. по геномной биологии в Университете Иллинойса. «Если мы сможем перенести это открытие на продовольственные культуры, мы сможем снабдить фермеров устойчивыми растениями, способными производить больше продуктов питания, несмотря на усиление температурного стресса».
Далее команда планирует повысить уровень этого природного белка в соевых бобах, вигне (черноглазый горох) и маниоке, тропическом корнеплоде, который является основным продуктом питания для более чем миллиарда человек во всем мире.. Их цель - увеличить урожайность и возможности для фермеров во всем мире, особенно для мелких фермеров в странах Африки к югу от Сахары и Юго-Восточной Азии.
Чтобы еще больше повысить урожайность, команда планирует объединить эту черту с другими, разработанными в рамках проекта RIPE, включая метод, описанный в журнале Science, который увеличил урожайность на 20 процентов, помогая растениям быстрее адаптироваться к колебаниям уровня освещенности.
"Улучшения, достигнутые с помощью индивидуального признака, описанного здесь, приближают нас на один шаг к удовлетворению неизбежных потребностей в продуктах питания в 2050 году. прокормить растущее население этого века», - сказала главный исследователь Кристин Рейнс, профессор молекулярной физиологии растений в Эссексе. «Мы стремимся как можно быстрее разработать эти устойчивые технологии и обеспечить, чтобы фермеры и сообщества, которые больше всего в них нуждаются, имели глобальный доступ."