Учёные создали "обходной путь" для сбоя фотосинтеза, увеличив рост сельхозкультур на 40%

Большинство сельскохозяйственных культур страдает от сбоя в процессе фотосинтеза. Чтобы справиться с ним, растения используют энергозатратный процесс фотодыхания, который сильно снижает их потенциальную урожайность. Исследователи из Университета Иллинойса и Службы сельскохозяйственных исследований Министерства сельского хозяйства США сообщают в журнале Science, что культуры, модифицированные с помощью "обходного пути" для фотодыхания, стали на 40% продуктивнее в реальных агрономических условиях.

"Мы могли бы прокормить до 200 миллионов дополнительных человек за счёт калорий, ежегодно теряемых из-за фотодыхания только на Среднем Западе США", — заявил руководитель исследования Дональд Орт.

Это исследование является частью международного проекта RIPE (Realizing Increased Photosynthetic Efficiency), цель которого — повысить эффективность фотосинтеза у сельскохозяйственных культур для устойчивого роста производства продовольствия.

Проблема с Rubisco

В основе фотосинтеза лежит фермент Rubisco — самый распространённый белок на планете. Однако он не всегда может отличить молекулу кислорода (O₂) от углекислого газа (CO₂). Примерно в 20% случаев Rubisco захватывает кислород, что приводит к образованию токсичного для растения соединения. Для его переработки и требуется процесс фотодыхания.

"Фотодыхание — это анти-фотосинтез. Оно отнимает у растения драгоценную энергию и ресурсы, которые можно было бы вложить в рост и урожай", — пояснил ведущий автор работы Пол Саут.

Инженерное решение

Естественный путь фотодыхания проходит через три компартмента клетки растения. Учёные создали альтернативные пути, которые значительно сокращают этот маршрут, экономя ресурсы растения.

Команда сконструировала три альтернативных пути, заменив ими сложный естественный. Они создали набор генетических конструкций с разными промоторами и генами, а затем протестировали их на 1700 растениях, чтобы выбрать наиболее эффективные.

Результаты полевых испытаний

За два года полевых испытаний выяснилось, что модифицированные растения:

• Развивались быстрее.
• Вырастали выше.
• Производили примерно на 40% больше биомассы, в основном за счёт стеблей, которые были на 50% крупнее.

Исследования проводились на табаке — идеальной модели для таких работ. Теперь команда переносит эти находки на повышение урожайности сои, коровьего гороха, риса, картофеля, томата и баклажана.

"Способность Rubisco отличать CO₂ от O₂ ухудшается с ростом температуры, что усиливает фотодыхание. Наша цель — создать более устойчивые растения, которые смогут переносить жару", — отметила соавтор работы Аманда Кавана.

Ходят на то, чтобы эта технология была перенесена на продовольственные культуры и прошла регуляторные процедуры, потребуется более десяти лет. Проект RIPE и его спонсоры гарантируют, что мелкие фермеры, особенно в Африке к югу от Сахары и Юго-Восточной Азии, получат бесплатный доступ ко всем достижениям проекта.