Белки красных водорослей, внедрённые в табак, удваивают рост растений

Исследователь из Корнеллского университета и её коллеги решили одну из ключевых задач для значительного повышения продуктивности растений и увеличения секвестрации углерода: они успешно перенесли ключевые участки высокоэффективной красной водоросли в растение табака, используя бактерии в качестве посредника.

Исследование сосредоточено на Rubisco — самом распространённом белке во всех экосистемах Земли. Rubisco выполняет первый этап фотосинтеза, фиксируя углерод, и существует в различных формах у растений, красных и зелёных водорослей и бактерий. Rubisco работает медленно и с трудом различает кислород и углекислый газ, что часто ограничивает рост растений и урожайность.

Один вид красных водорослей, Griffithsia monilis (Gm), содержит Rubisco, который на 30% эффективнее фиксирует углерод, чем Rubisco у других организмов, включая сельскохозяйственные культуры. Однако до сих пор никому не удавалось заставить растения экспрессировать GmRubisco, так как для его правильной работы необходимы неизвестные для красных водорослей вспомогательные белки-«шапероны».

В ходе исследования учёные решили 3D-структуру GmRubisco и использовали эту информацию для переноса небольших участков из Rubisco красной водоросли в бактериальный Rubisco Rhodobacter sphaeroides (RsRubisco). Это сработало, потому что RsRubisco близок к GmRubisco и не требует специальных шаперонов в растениях.

В результате модификации:

• Скорость карбоксилирования (начало фиксации углерода) выросла на 60%.
• Эффективность карбоксилирования увеличилась на 22%.
• Способность различать CO₂ и O₂ улучшилась на 7%.

Затем модифицированный бактериальный белок перенесли в растение табака. Это привело к удвоению фотосинтеза и роста растений по сравнению с табаком, выращенным с неизменённым RsRubisco. Табак используется как модельное растение для разработки более эффективного Rubisco, который в будущем можно будет перенести на сельскохозяйственные культуры.

«Мы ещё не превзошли дикий тип табака, но мы на правильном пути. Нам нужны лишь довольно скромные улучшения производительности Rubisco, потому что даже небольшой прирост за весь сезон может привести к огромным изменениям в росте растений и урожайности», — отметила ведущий автор Лора Ганн.

Потенциальные применения технологии охватывают многие сферы: повышение продуктивности сельского хозяйства, эффективное производство биотоплива, методы секвестрации углерода и разработка искусственных энергетических систем.