Улучшение фотосинтеза повышает урожайность и бережет воду

Растения - это заводы, которые производят продукцию из света и углекислого газа, но часть этого сложного процесса, называемого фотосинтезом, затруднена нехваткой сырья и оборудования.

Для оптимизации производства ученые из Университета Эссекса решили две основные проблемы, связанные с фотосинтезом, чтобы повысить производительность растений на 27 % в реальных полевых условиях, согласно новому исследованию, опубликованному в журнале Nature Plants. Это третий прорыв в исследовательском проекте "Повышение фотосинтетической эффективности" (RIPE); в то же время было доказано, что этот фотосинтетический метод позволяет экономить воду.

Модифицированное растение для фотосинтеза

"Как и заводская линия, растения работают так же быстро, как их самые медленные машины", - говорит Патрисия Лопес-Кальканьо, научный сотрудник постдокторского отделения университета Эссекса, руководившая этой работой в рамках проекта RIPE. "Мы определили некоторые этапы фотосинтеза, которые являются более медленными, и то, что мы делаем, позволяет этим заводам строить больше машин для ускорения этих более медленных этапов фотосинтеза".

Подписывайтесь на наш youtube канал!

Проект RIPE - это международная деятельность, возглавляемая Университетом штата Иллинойс, направленная на развитие более продуктивных культур путем улучшения фотосинтеза - естественного процесса, работающего на солнечном излучении, который все растения используют для фиксации углекислого газа в сахарах, способствующих росту, развитию и, в конечном счете, получению урожая. RIPE поддерживается Фондом Билла и Мелинды Гейтс, Американским фондом исследований в области продовольствия и сельского хозяйства (FFAR) и Министерством международного развития (DFID) правительства Великобритании.

Производительность завода снижается, когда запасы, транспортные каналы и надежное оборудование ограничены. Чтобы выяснить, какие пределы имеет фотосинтез, исследователи смоделировали каждый из 170 этапов этого процесса, чтобы определить, как растения могут более эффективно производить сахара.

В этом исследовании команда увеличила рост урожая на 27%, решив два ограничения: первое - в первой части фотосинтеза, где растения преобразуют световую энергию в химическую, и второе - где углекислый газ фиксируется в сахарах.

Внутри двух фотосистем солнечный свет улавливается и превращается в химическую энергию, которая может быть использована для других процессов фотосинтеза. Транспортный белок, называемый пластоцианин, перемещает электроны в фотосистему для ускорения этого процесса. Но пластоцианин имеет высокое сродство к его акцепторному белку в фотосистемах, поэтому он зависает вокруг, не в состоянии эффективно перемещать электроны туда и обратно.

Команда решила эту первую проблему, помогая пластоцианину разделить нагрузку с добавлением цитохрома c6—a более эффективного транспортного белка, обладающего аналогичной функцией в водорослях. Пластоцианин требует меди, а цитохром - железа. В зависимости от наличия этих питательных веществ, водоросли могут выбирать между этими двумя транспортными белками.

В то же время, команда улучшила фотосинтетическое узкое место в цикле Кальвина и Бенсона, где углекислый газ фиксируется в сахарах, увеличивая количество ключевого фермента под названием SBPase, заимствуя дополнительное клеточное оборудование у других видов растений и цианобактерий.

Добавив "клеточные вилочные погрузчики" для перемещения электронов в фотосистемы и "клеточные машины" для цикла Кельвина, команда также улучшила эффективность использования воды в растениях, или соотношение биомассы, произведенной и воды, потерянной растениями.

"В ходе наших полевых испытаний мы обнаружили, что эти растения используют меньше воды для производства большего количества биомассы", - сказала главный исследователь Кристин Рейнс (Christine Raines), профессор Школы наук о жизни в Эссексе, где она также выступает в роли про-вице-консультанта по научным исследованиям. "Механизм, ответственный за это дополнительное улучшение, пока не ясен, но мы продолжаем изучать его, чтобы понять, почему и как это работает".

Эти два улучшения, в совокупности, как было показано, повышают урожайность на 52 % в теплице. Что еще более важно, данное исследование показало 27-процентное увеличение роста урожая в ходе полевых испытаний, что является настоящим испытанием для любого улучшения культур - демострацией того, что эти фотосинтетические взломы могут повысить урожайность в реальных условиях выращивания.

"Данное исследование предоставляет прекрасную возможность объединить три проверенных и независимых метода для достижения 20-процентного увеличения производительности сельскохозяйственных культур", - заявил директор RIPE Стивен Лонг, заведующий кафедрой наук о растениях и биологии растений Университета Икенберри Эндауэд в Институте геномной биологии Карла Р. Вуза в штате Иллинойс. "Наше моделирование позволяет предположить, что суммирование этого прорыва с двумя предыдущими открытиями в рамках проекта RIPE может привести к повышению урожайности на 50-60 % в продовольственных культурах".

Первое открытие RIPE, опубликованное в журнале Science, помогло растениям адаптироваться к изменяющимся условиям освещения и повысить урожайность на целых 20 %. Второе открытие проекта, также опубликованное в журнале Science, создало краткое описание того, как растения справляются с глюком при фотосинтезе, что позволяет повысить урожайность на 20-40%. 

Далее команда планирует реализовать эти открытия на примере табака - образцовой культуры, используемой в данном исследовании в качестве тестовой площадки для генетических улучшений, поскольку она легко поддается проектированию, выращиванию и тестированию для основных продовольственных культур, таких как маниока, коровья гороховая, кукуруза, соя и рис, которые необходимы для пропитания нашего растущего населения в этом столетии. Проект RIPE и его спонсоры стремятся обеспечить глобальный доступ и сделать технологии проекта доступными для фермеров, которые в них больше всего нуждаются. опубликовано econet.ru по материалам scitechdaily.com

Подписывайтесь на наш канал Яндекс Дзен!

P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление - мы вместе изменяем мир! © econet