Можно ли взломать фотосинтез, чтобы накормить мир при росте населения?

К 205 году численность населения мира, по прогнозам, достигнет 10.5 миллиардов человек. При этом площадь пахотных земель сокращается, а продуктивность сельского хозяйства стагнирует.

"Зеленая революция" прошлого века повысила урожайность за счёт увеличения индекса урожая (доли биомассы растения, приходящейся на зерно) с помощью классической селекции. Однако этот индекс приближается к теоретическому пределу, и приросты продуктивности вышли на плато.

Новым резервом может стать перепроектирование фотосинтеза — процесса преобразования растениями солнечного света и CO₂ в сахара. По словам Роберта Блэнкеншипа, фотосинтез "потрясающе неэффективен": КПД растения составляет в лучшем случае 1%, тогда как у солнечных батарей — 15–20%. Фотосинтез — единственный параметр продуктивности растений, не приблизившийся к биологическому пределу.

Учёные на семинаре в Cold Spring Harbor Laboratory предложили несколько стратегий для радикального повышения эффективности фотосинтеза.

Умный полог: оптимизация сбора света

Одна из идей — создание слоёного ("умного") полога растений, который кооперативно максимизирует эффективность использования света.

1. Изменение угла наклона листьев: Верхние листья, получающие избыток света, могли бы располагаться почти вертикально, а нижние, испытывающие его недостаток, — горизонтально.
2. Настройка "антенн": "Антенные" пигменты (хлорофилл, каротиноиды) собирают свет для реакционных центров. Верхние листья могли бы иметь меньше антенных комплексов на большее число реакционных центров (будучи светло-зелёными), а нижние — более крупные антенны (и быть тёмно-зелёными).
3. Разные пигменты для разных слоёв: Верхние листья могли бы использовать хлорофилл a (поглощающий видимый свет), а нижние, куда доходит в основном инфракрасный свет, — хлорофилл d, чей пик поглощения смещён в красную область.

Ускорение медленного фермента

Следующее крупное препятствие — печально известный фермент RuBisCO, катализирующий первую стадию фиксации углерода. У него два ключевых недостатка:

1. Очень низкая скорость: "Он совершает несколько оборотов в секунду", — говорит Блэнкеншип. Для сравнения, некоторые ферменты — десятки миллионов раз в секунду. Из-за этого RuBisCO составляет до половины растворимого белка в листьях.
2. Низкая селективность: В 25–30% случаев RuBisCO связывает не CO₂, а кислород. Это запускает процесс фотореспирации — длинный цикл детоксикации, который может приводить к потере до трети уже фиксированного углерода и является "основной утечкой эффективности растения".

Возможные решения:

• Использовать в разных слоях полога разные природные варианты RuBisCO: в верхнем — быстрые, но менее селективные; в нижнем — медленные, но с высокой специфичностью к CO₂.
• Внедрить в обычные растения (с C3-метаболизмом, как рис) систему C4-метаболизма. C4-растения концентрируют RuBisCO в специализированных клетках и накачивают туда CO₂, сводя к минимуму фотореспирацию. "Это большая цель: создать C4-рис", — отмечает Блэнкеншип.

Некоторые из этих проектов могут быть реализованы за несколько лет, другие потребуют радикального перепроектирования архитектуры фотосинтеза. Однако, как подчёркивает учёный, улучшение именно начального этапа захвата солнечной энергии — наиболее перспективный путь, так как потери на этой стадии невосполнимы.