Исследование Корнельского университета описывает прорыв в стремлении улучшить фотосинтез некоторых культур, шаг к адаптации растений к быстрым изменениям климата и увеличению урожайности, чтобы к 2050 году прокормить 9 миллиардов человек.
Исследование «Повышение эффективности Rubisco путем воскрешения его предков в семействе Solanaceae», опубликованное 15 апреля в журнале Science Advances. Старшим автором является Морин Хэнсон, профессор молекулярной биологии растений Liberty Hyde Bailey Колледжа сельского хозяйства и наук о жизни. Первый автор Мят Лин - научный сотрудник лаборатории Хэнсона, получивший докторскую степень.
Авторы разработали вычислительную технику для прогнозирования благоприятных последовательностей генов, которые делают Rubisco ключевым растительным ферментом для фотосинтеза. Этот метод позволил ученым определить перспективные ферменты-кандидаты, которые можно было бы внедрить в современные сельскохозяйственные культуры и, в конечном счете, сделать фотосинтез более эффективным и повысить урожайность.
Их метод опирался на историю эволюции, где исследователи предсказали появление генов Rubisco 20-30 миллионов лет назад, когда уровни углекислого газа на Земле (CO2) были выше, чем они есть на самом деле. сегодня, и ферменты Rubisco в растениях были адаптированы к этим уровням.
Возрождение древнего Rubisco, первые результаты показывают перспективу разработки более быстрых и эффективных ферментов Rubisco для включения в сельскохозяйственные культуры и помощи им в адаптации к жарким и засушливым условиям будущего, поскольку деятельность человека увеличивает улавливание тепла CO 2 концентрации газов в атмосфере Земли.
В исследовании описываются прогнозы 98 ферментов Rubisco в ключевые моменты эволюционной истории растений семейства пасленовых, включая помидоры, перец, картофель, баклажаны и табак. Исследователи используют табак в качестве экспериментальной модели для своих исследований Rubisco.
«Мы смогли идентифицировать предсказанные предковые ферменты, которые действительно обладают превосходными качествами по сравнению с ферментами сегодняшнего дня», - сказал Хэнсон. Лин разработал новую технику для идентификации предсказанных древних ферментов Рубиско.
Ученым известно, что они могут увеличить урожайность за счет ускорения фотосинтеза, при котором растения преобразуют CO2, воду и свет в кислород и сахара, которые растения используют для получения энергии и для создания новых ткани.
В течение многих лет исследователи сосредоточились на Rubisco, медленном ферменте, который извлекает (или фиксирует) углерод из CO2 для создания сахаров. Помимо того, что он медленный, Rubisco также иногда катализирует реакцию с кислородом воздуха; таким образом, он создает токсичный побочный продукт, тратит энергию и делает фотосинтез неэффективным.
Лаборатория Хэнсона ранее пыталась использовать Rubisco из цианобактерий (сине-зеленых водорослей), который быстрее, но также легко реагирует с кислородом, что вынудило исследователей попытаться создать микрокомпартменты для защиты фермента от кислорода, с смешанные результаты. Другие исследователи пытались разработать более оптимальный Rubisco, внося изменения в аминокислоты фермента, хотя мало что было известно о том, какие изменения приведут к желаемым результатам.
В этом исследовании Лин реконструировал филогению - древовидную диаграмму, показывающую эволюционное родство между группами организмов - Rubisco, используя растения Solanaceae.
«Получив множество [генетических] последовательностей Rubisco в существующих растениях, можно построить филогенетическое дерево, чтобы выяснить, какие Rubisco, вероятно, существовали 20-30 миллионов лет назад», - сказал Хэнсон.
Преимущество идентификации потенциальных древних последовательностей Рубиско заключается в том, что уровни углекислого газа, возможно, достигали от 500 до 800 частей на миллион (ppm) в атмосфере от 25 до 50 миллионов лет назад. Сегодня уровни улавливающего тепло CO2 резко растут из-за многих видов деятельности человека, при текущих измерениях около 420 частей на миллион после того, как оставались относительно постоянными ниже 300 частей на миллион в течение сотен тысячелетий до 1950-х годов.
Лин, Хэнсон и их коллеги затем использовали экспериментальную систему, разработанную для табака в лаборатории Хэнсона и описанную в статье Nature Plants 2020 года, в которой используются бактерии кишечной палочки для проверки эффективности различных версий Rubisco за один день.. Подобные тесты, проводимые на заводах, требуют месяцев проверки.
Команда обнаружила, что древние ферменты Rubisco, предсказанные на основе современных растений Solanaceae, продемонстрировали реальные перспективы в плане большей эффективности.
«Для следующего шага мы хотим заменить гены существующего фермента Rubisco в табаке этими наследственными последовательностями, используя технологию CRISPR [редактирование генов], а затем измерить, как это влияет на производство биомассы», - Хэнсон. сказал. «Мы, конечно, надеемся, что наши эксперименты покажут, что, адаптировав Рубиско к современным условиям, мы получим растения, дающие более высокие урожаи."
Если их метод окажется успешным, эти эффективные последовательности Рубиско могут быть перенесены на такие культуры, как помидоры, а также на растения из других семейств растений, таких как соевые бобы и рис.
Исследование финансировалось Министерством энергетики США.