Учените пребоядисват проблемите с фотосинтезата, за да нараснат растенията с 40 процента по-големи

от Райън Уитвам

Целият кислород, на който се наслаждавате на дишането, не се появява просто вълшебно в атмосферата. Земята е жизнеспособна, тъй като растенията по целия свят изпомпват кислород като страничен продукт на фотосинтезата, а някои от тях се превръщат и в вкусни хранителни култури. Фотосинтезата обаче не е перфектна въпреки много еони на еволюционно усъвършенстване. Учени от Университета на Илинойс работиха за коригиране на недостатък във фотосинтезата и това би могло да подобри добивите с цели 40 процента.

В основата на новите изследвания е процес в растения, наречен фотореспирация, който не е толкова част от фотосинтезата, колкото е следствие от нея. Подобно на много биологични процеси, фотосинтезата не работи правилно в 100 процента от времето. Всъщност една от основните реакции при фотосинтезата е само около 75 процента ефективна. Промяната идва в процеса, който растенията предприемат поради тази неефективност.

При фотосинтезата растенията приемат вода и въглероден диоксид и я преработват, за да създадат захари (храна) и кислород. Растенията не се нуждаят от кислород, така че той се изгонва. За щастие, ние се нуждаем от кислород и издишаме въглеродния диоксид.

Проблемът, разгледан в новото проучване, е с ензим, наречен рибулоза-1,5-бисфосфат карбоксилаза-оксигеназа (RuBisCO). Този протеинов комплекс свързва молекула на въглероден диоксид към рибулоза-1,5-бисфосфат (RuBP). С течение на вековете земната атмосфера става по-кислородна и това означава, че RuBisCO трябва да се справи с повече кислородни молекули, смесени с въглероден диоксид. Около една четвърт от времето RuBisCO погрешно грабва молекула кислород и това има последствия вътре в растението.

Учените Дон Орт (вдясно), Пол Саут (в центъра) и Аманда Кавана (вляво) проучват колко добре техните растения, модифицирани да заобикалят фотореспирацията, се представят до немодифицирани растения в реални условия.

Когато RuBisCO се завинтва, растенията се оставят с токсични странични продукти като гликолат и амоняк. Необходима е енергия за обработката на тези съединения (чрез фотореспирация), която се добавя към загубата на енергия от неефективността на фотосинтезата. Авторите на изследването отбелязват, че оризът, пшеницата и соята страдат от този проблем и RuBisCO става още по-малко точен с повишаване на температурите. Това означава, че доставките на храни могат да намалят, тъй като глобалното затопляне става по-силно.

Поправката е част от програма, наречена Realizing увеличена фотосинтетична ефективност (RIPE) и разчита на въвеждането на нови гени, които подобряват растежа. Обикновено фотореспирацията преминава по схематичен и сложен път през три различни клетъчни органели. Той консумира ATP (енергийната валута на клетките), която би трябвало да направи растението по-голямо и по-силно. RIPE се фокусира върху по-бързото и енергийно ефективно фотореспирация.

Екипът разработи три алтернативни пътя, използвайки нови генетични последователности. Те оптимизираха тези пътища в 1700 различни растения, за да идентифицират най-добрите подходи. В продължение на две години изследователите тестват последователностите, използвайки модифицирани тютюневи растения. Това е често срещано растение в науката, тъй като неговият геном е изключително добре разбран.

Тези растения произвеждат около 40 процента повече биомаса в сравнение с немодифицираните. Това показва, че по-ефикасните фотореспираторни пътища спестяват на растението значителна енергия, която може вместо това да върви към растеж. Следващата стъпка е да се включат гените в хранителни култури като соя, вине, ориз и домати.

Може да отнеме няколко години, за да се интегрират преработените гени за фотоспирация в хранителни култури, които са по-сложни от тютюна. След това получените растения ще трябва да бъдат одобрени за консумация от човека от регулатори - това не е лесно само по себе си и има често антинаучно противопоставяне на генетично модифицираните култури. RISE се подкрепя от организации с нестопанска цел по целия свят, включително Фондация Бил и Мелинда Гейтс. Всички семена, разработени по RISE, ще бъдат достъпни безплатно.

Сега прочетете:

  • Учените измислят как да оправят растителните геноми, за да засилят фотосинтезата
  • Екипажът на Международната космическа станция изяжда първата в историята салата, отглеждана в космоса
  • Новата биотехнологична пшеница дава на гъбичките пръст, без да добавя нови гени
  • Новата биотехнологична пшеница дава на гъбичките пръст, без да добавя нови гени

Първоначално публикувано на www.extremetech.com на 7 януари 2019 г.