Учёные улучшили фотосинтез для повышения урожайности культур
Исследователи сообщают в журнале Science, что им удалось повысить продуктивность растений, усилив уровни трёх белков, участвующих в фотосинтезе. В полевых испытаниях учёные наблюдали увеличение продуктивности модифицированных растений табака на 14–20%. Работа подтверждает, что фотосинтез можно сделать более эффективным для повышения урожайности растений — гипотезу, которую некоторые в научном сообществе ранее считали нереализуемой.
Многолетний компьютерный анализ, лабораторные и полевые эксперименты привели к выбору белков, на которые было направлено исследование. Табак использовали, так как его легко модифицировать. Сейчас учёные сосредоточены на продовольственных культурах.
«Мы не знаем наверняка, сработает ли этот подход на других культурах, но поскольку мы воздействуем на универсальный процесс, одинаковый для всех культур, мы почти уверены, что да», — сказал профессор биологии растений и растениеводства Университета Иллинойса Стивен Лонг, руководивший исследованием вместе с постдоками Катажиной Гловацкой и Йоханнесом Кромдейком.
Команда нацелилась на процесс, который растения используют для защиты от избыточной солнечной энергии.
«Листья сельскохозяйственных культур, подвергающиеся воздействию полного солнечного света, поглощают больше света, чем могут использовать, — пояснил Лонг. — Если они не могут избавиться от этой дополнительной энергии, это фактически обесцветит лист».
Растения защищаются, вызывая изменения внутри листа, которые рассеивают избыточную энергию в виде тепла. Этот процесс называется нефотохимическим тушением (NPQ).
«Но когда облако закрывает солнце или лист попадает в тень другого, может потребоваться до получаса, чтобы процесс NPQ прекратился, — сказал Лонг. — В тени недостаток света ограничивает фотосинтез, а NPQ также тратит свет в виде тепла».
Лонг и его бывший аспирант Синьгуан Чжу использовали суперкомпьютер в Национальном центре суперкомпьютерных приложений Университета Иллинойса, чтобы предсказать, насколько медленное восстановление от NPQ снижает продуктивность сельскохозяйственных культур в течение дня. Эти расчёты выявили «удивительно высокие потери» — от 7,5% до 30% в зависимости от типа растения и преобладающей температуры.
Обсуждения Лонга с исследователем из Калифорнийского университета в Беркли и соавтором исследования Кришной Ниоги — экспертом по молекулярным процессам, лежащим в основе NPQ, — позволили предположить, что повышение уровней трёх белков может ускорить процесс восстановления.
Чтобы проверить эту концепцию, команда вставила «кассету» из трёх генов (взятых у модельного растения Arabidopsis) в табак.
«Цель состояла просто в том, чтобы повысить уровень трёх белков, уже присутствующих в табаке», — сказал Лонг.
Исследователи вырастили рассаду в нескольких экспериментах, а затем проверили, насколько быстро генетически модифицированные растения реагируют на изменения доступного света.
Метод флуоресцентной визуализации позволил команде определить, какие из трансформированных растений быстрее восстанавливаются при переносе в тень. Исследователи отобрали трёх лучших исполнителей и испытали их на нескольких полевых участках вместе с участками неизменённого табака.
Две линии модифицированных растений стабильно показывали на 20% более высокую продуктивность, а третья — на 14% выше, чем у немодифицированных растений табака.
«Табак выращивают ради листьев, которые существенно увеличились, — сказал Кромдейк. — Но в продовольственных культурах нам нужно будет увеличивать то, что мы едим от растения — фрукты, семена или корни».
Другие эксперименты показали, что усиление фотосинтеза путём воздействия на растения высоким уровнем углекислого газа приводит к увеличению количества семян у пшеницы, сои и риса.
«Теперь мы можем делать это генетически и активно работаем над повторением нашей работы на различных продовольственных культурах», — сказал он.
«Это открытие даёт редкие хорошие новости в то время, когда звучат мрачные прогнозы о будущей нехватке продовольствия», — сказала Гловацка.
«Организация Объединённых Наций прогнозирует, что к 2050 году нам потребуется производить примерно на 70% больше продовольствия на землях, которые мы используем в настоящее время, — сказал Лонг. — Я считаю, что очень важно иметь эти новые технологии на полке уже сейчас, потому что может пройти 20 лет, прежде чем такие изобретения попадут на поля фермеров. Если мы не сделаем это сейчас, у нас не будет этого решения, когда оно понадобится».
Фонд Билла и Мелинды Гейтс финансировал это исследование с условием, что любые новые сельскохозяйственные продукты, полученные в результате работы, будут лицензированы таким образом, чтобы технология была бесплатно доступна фермерам в бедных странах Африки и Южной Азии.