Ускоренный метод анализа генов для изучения фотосинтеза

Кратковременное затенение облаками снижает продуктивность сельскохозяйственных культур, отнимая потенциальный урожай. Исследователи применили быстрый скрининговый метод генной инженерии растений в реальном времени, чтобы изучить, как помочь растениям реализовать их полный потенциал.

Фотосинтез — это процесс превращения световой энергии и CO₂ в питательные вещества. При полном солнце растения получают больше энергии, чем могут использовать. Избыточная энергия отводится в виде тепла для защиты от повреждений — этот процесс называется нефотохимическим тушением (NPQ). Когда свет снова становится ярким, растения медленно восстанавливаются после NPQ.

«Может потребоваться от минут до часов, чтобы растение полностью восстановилось и снова начало фотосинтезировать с максимальной эффективностью», — говорит ведущий автор Кришна Ниоги (Университет Калифорнии, Беркли). Ускорение восстановления после NPQ, согласно моделям, может увеличить урожайность на 10–15%.

Исследователи ищут естественные механизмы у растений и водорослей, которые позволяют быстрее восстанавливаться после NPQ. Работа опубликована в Plant Journal и является частью проекта RIPE (Realizing Increased Photosynthetic Efficiency), финансируемого Фондом Билла и Мелинды Гейтс.

Новый метод: временная экспрессия генов

Раньше на анализ функции генов уходили недели или месяцы (создание конструкций, вставка в растения, выращивание). Новый метод позволяет за несколько дней сравнить несколько генов бок о бок на одном листе с помощью транзиентной (временной) экспрессии.

При этом гены из бактерии, вызывающей в природе опухолевый рост, заменяются на гены, которые могут ускорить восстановление после NPQ.

Результаты исследования

NPQ — сложный процесс, включающий как минимум четыре механизма с разной скоростью восстановления. Самый быстрый механизм контролируется взаимодействием двух ферментов.

В исследовании оценили, как сверхэкспрессия этих ферментов влияет на NPQ. Также протестировали три эволюционно далёких белка (из одноклеточной водоросли, мха и цветкового растения), активирующих самый быстрый механизм. Белок из мха показал самую быструю активацию и наибольшую способность к восстановлению после NPQ.

Кроме того, подтверждена функция генов из двух видов океанических водорослей. Один из этих генов позволил растению производить пигмент, улучшающий перенос энергии.

Перспективы

Метод ускоряет исследовательский процесс и позволяет быстро идентифицировать гены, необходимые для повышения урожайности основных продовольственных культур. Благодаря принципу «глобальной доступности», закреплённому Фондом Гейтс, результаты этой работы в будущем могут помочь мелким фермерам, особенно в странах Африки к югу от Сахары и Юго-Восточной Азии.