Повышение эффективности фотосинтеза — путь к продовольственной безопасности

Фотосинтез, процесс преобразования солнечной энергии в сахара, лежит в основе производства почти всей пищи для человечества. Однако он имеет неоптимальную эффективность, что ограничивает урожайность сельскохозяйственных культур. Новый обзор ученых из Университета Иллинойса и их коллег показывает, как улучшение фотосинтеза может приблизить нас к решению проблемы продовольственной безопасности.

Обзор, опубликованный в журнале Cell, подготовлен профессорами Стивеном Лонгом, Эми Маршалл-Колон и Лизой Эйнсворт совместно с коллегами из восьми институтов. В нем оцениваются биологические стратегии повышения эффективности фотосинтеза у сельскохозяйственных растений.

Прогресс и инициативы

За последнее десятилетие знания в этой области значительно расширились. Эйнсворт, директор международного проекта Realizing Increased Photosynthetic Efficiency (RIPE), отмечает, что фотосинтез обладает потенциалом для решения множества задач сельского хозяйства. Проект RIPE поддерживается организацией Gates Agricultural Innovations (Gates Ag One).

Ключевые цели для улучшения

Обзор выделяет несколько основных направлений для повышения эффективности фотосинтеза:

• Инженерия фермента Rubisco: Этот ключевой фермент, фиксирующий CO₂, иногда ошибочно связывает молекулы кислорода, запуская энергозатратный процесс фотодыхания. Рассматриваются стратегии для решения этой проблемы:

  • Создание менее подверженной ошибкам версии Rubisco с помощью направленной эволюции.
  • Увеличение производства фермента в растении.
  • Формирование структур, концентрирующих CO₂ вокруг Rubisco.
  • Введение синтетических путей для обхода фотодыхания.

• Оптимизация улавливания света: Культурные растения можно сделать более эффективными, изменив угол наклона и содержание хлорофилла в листьях, чтобы свет лучше проникал в нижний ярус. Другое направление — ускорение переключения растений с защитных механизмов при ярком свете на оптимальный сбор света в условиях облачности.

Технологический прогресс и будущее

Развитие в этих областях идет быстрее, чем ожидалось, благодаря новым технологиям, таким как динамическое моделирование белков и передовая визуализация.

Публикация служит как отчетом о достигнутом, так и призывом к действию. За последнее десятилетие исследования перешли от теории и испытаний на модельных растениях к полевым тестам пищевых культур. Повышение эффективности фотосинтеза достижимо и может быть интегрировано в стратегии улучшения урожайности уже сейчас.