Учёные сделали шаг к улучшению фотосинтеза и урожайности сельхозкультур

Чтобы прокормить прогнозируемые 9 миллиардов человек к 2050 году, необходимо увеличить производство пищи на 50%, не расширяя посевные площади. Учёные работают над повышением урожайности через улучшение фотосинтеза.

Цианобактерии (сине-зелёные водоросли) фотосинтезируют эффективнее большинства культурных растений. Исследователи пытаются внедрить элементы их системы в сельхозкультуры.

Новое исследование под руководством Корнеллского университета описывает важный шаг к этой цели. Статья "Отсутствие карбоангидразы в хлоропластах влияет на развитие растений C3, но не на фотосинтез" опубликована 11 августа в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Проблема с Rubisco

В процессе фотосинтеза фермент Rubisco фиксирует неорганический углерод из воздуха. Проблема в том, что Rubisco реагирует как с CO₂, так и с кислородом. Реакция с O₂ создаёт токсичные побочные продукты и снижает эффективность фотосинтеза.

У цианобактерий Rubisco защищён внутри микрокомпартментов — карбоксисом. Они экранируют фермент от кислорода и концентрируют CO₂ для более быстрой фиксации углерода.

Ключевой шаг: удаление карбоангидразы

Для работы системы концентрации углерода из цианобактерий в растениях необходимо удалить фермент карбоангидразу из хлоропластов. Её роль — поддерживать равновесие между CO₂ и бикарбонатом. Однако для новой системы требуется уровень бикарбоната, значительно превышающий равновесный.

В этом исследовании учёные использовали CRISPR/Cas9, чтобы отключить гены, экспрессирующие две карбоангидразы в хлоропластах. Когда активность фермента была удалена на 100%, растения почти перестали расти. Это показало, что бикарбонат необходим для синтеза компонентов листовой ткани.

Растения восстановили нормальный рост в камере с высоким содержанием CO₂, где происходила спонтанная реакция образования бикарбоната.

Планы и открытия

В будущем исследовании (финансируемом грантом NSF на ~$800 000) планируется добавить транспортёр бикарбоната на мембрану хлоропластов. Это позволит импортировать бикарбонат из других частей клетки, сделав карбоангидразу ненужной и потенциально улучшив фотосинтез ещё до внедрения карбоксисом.

Эксперименты показали, что отсутствие карбоангидразы не нарушает фотосинтез, что противоречит ранее существовавшим представлениям.

Также обнаружено, что можно использовать неактивную версию карбоангидразы. Она не будет мешать системе концентрации углерода, но сохранит способность растения к защите от вирусов, в которой участвует этот фермент.