Биологи растений увеличили продуктивность сельскохозяйственных культур на целых 20 процентов, увеличив количество света, используемого растениями в фотосинтезе, и это открытие может быть использовано для удовлетворения будущих потребностей мира в продовольствии.
Ученые из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли Министерства энергетики (Berkeley Lab), Калифорнийского университета в Беркли (UC Berkeley) и Университета Иллинойса нацелились на три гена, участвующих в технологических процессах, которые используют растения для защиты от повреждений. когда они получают больше света, чем могут безопасно использовать. Увеличивая экспрессию этих генов, ученые наблюдали увеличение продуктивности модифицированных растений табака на 14-20 процентов в полевых экспериментах.
Исследователи описали свои выводы в статье, которая будет опубликована в четверг, 17 ноября, в журнале Science.
«Табак был использован в качестве модельного растения в этом исследовании, потому что с ним легко работать, но мы работаем над тем, чтобы внести такие же изменения в рис и другие продовольственные культуры», - сказал соавтор Кришна Нийоги., научный сотрудник отдела молекулярной биофизики и интегративного биоимиджинга лаборатории Беркли. «Молекулярные процессы, которые мы модифицируем, имеют фундаментальное значение для растений, осуществляющих фотосинтез, поэтому мы надеемся увидеть такое же увеличение урожайности и у других культур».
Нийоги, исследователь Медицинского института Говарда Хьюза и профессор биологии растений и микробов Калифорнийского университета в Беркли, объединился со Стивеном Лонгом, профессором биологии растений и растениеводства из Иллинойса, для исследования.
В процессе фотосинтеза растения используют энергию солнечного света, чтобы поглощать углекислый газ из атмосферы и преобразовывать его в биомассу, которую мы используем в пищу, топливо и волокна. Когда солнечного света слишком много, фотосинтетический аппарат в хлоропластах может быть поврежден, поэтому растения нуждаются в фотозащите. Для этой цели внутри хлоропластов у растений есть система, называемая NPQ, или нефотохимическое тушение.
Нийоги сравнил NPQ с предохранительным клапаном в паровой машине.
«Когда слишком много солнечного света, это похоже на повышение давления», - сказал Нийоги. "NPQ включается и благополучно избавляется от лишней энергии. В тени давление в двигателе снижается. NPQ выключается, но недостаточно быстро. Это как утечка в системе при открытом клапане. Фотосинтетический двигатель не может работать так же эффективно."
Уровни света, получаемого растениями, сильно различаются, особенно на густо засаженных полях, что представляет собой проблему для эффективного использования солнечной энергии. Растения должны приспосабливаться к прерывистому затенению от листьев, которые находятся выше в пологе, или от проплывающих облаков.
Нийоги и его научные сотрудники Лорибет Леонелли, Стефан Габилли и Масакадзу Иваи нашли способ ускорить восстановление после фотозащиты и продемонстрировали доказательство этой концепции в лаборатории. Они использовали метод быстрого тестирования экспрессии генов в листьях табака. Повысив экспрессию трех генов, участвующих в NPQ, они показали, что NPQ выключается быстрее, а эффективность фотосинтеза в тени выше..
Половина фотосинтеза урожая происходит в тени, поэтому любое улучшение в ускорении восстановления после фотозащиты может принести большую пользу, считают исследователи.
Постдокторские исследователи из Иллинойса Йоханнес Кромдейк и Катажина Гловацка взяли три гена, изученных в Беркли, и поместили их в растения табака для дальнейшего тестирования в теплицах и полевых экспериментах.
Работы по повышению урожайности сельскохозяйственных культур начинаются по мере роста обеспокоенности населения мира по поводу нехватки продовольствия. По оценкам Продовольственной и сельскохозяйственной организации Объединенных Наций, к 2050 году производство продуктов питания должно увеличиться почти вдвое, чтобы удовлетворить растущий спрос. Урожайность основных мировых культур растет недостаточно быстро, чтобы удовлетворить эту прогнозируемую потребность.
«Я считаю, что очень важно иметь эти новые технологии на полках сейчас, потому что может пройти 20 лет, прежде чем такие изобретения попадут на поля фермеров», - сказал Лонг. «Если мы не сделаем этого сейчас, у нас не будет этого решения, когда оно нам понадобится».