Фотосинтез нужно улучшить, чтобы прокормить мир к 2050 году
Использование высокопроизводительных вычислений и генной инженерии для повышения эффективности фотосинтеза растений — лучшая надежда на увеличение урожайности, необходимого для планеты с 9.5 миллиардами человек к 2050 году. Об этом сообщают исследователи в журнале Cell.
Текущие возможности
- Знание процессов: Известны все этапы фотосинтеза у C3-растений (соя) и C4-растений (кукуруза).
- Вычислительные ресурсы: Моделирование позволяет находить «узкие места» в процессе.
- Генная инженерия: Позволяет усиливать или обходить эти препятствия.
Уже достигнутый прогресс
- Перенос гена из цианобактерий в сельскохозяйственные растения повысил скорость фотосинтеза на 30%.
- Пигменты некоторых бактерий и водорослей, использующие больше солнечного спектра, могут увеличить доступ растений к солнечной энергии.
Перспективные направления
- Упрощение подхода для C3-растений: Добавление системы сине-зеленых водорослей в хлоропласт C3-растений для увеличения активности фермента Rubisco. Моделирование предсказывает рост фотосинтеза до 60%.
- Оптимизация распределения света: Многие растения захватывают слишком много света верхними листьями. Осветление верхних листьев позволит большему количеству света достигать нижних.
- Компьютерное моделирование: Выявляет «пробки» в процессе фотосинтеза. Модель предсказывает, что регуляция активности определенных генов может дать 60% улучшение ассимиляции углерода без дополнительных ресурсов.
Следующие шаги и вызовы
Создание in silico модели растения для симуляции сложных взаимодействий и точного направления инженерных усилий. Несмотря на научные и регуляторные препятствия, работу нужно начинать сейчас, так как от успеха в лаборатории до поля проходит не менее 15 лет.