Американские ученые подняли урожайность за счет стимулирования фотосинтеза

Изображение: (cc0) Д.Ильин
Фотосинтез
Фотосинтез
Фотосинтез

Увеличения урожайности сельскохозяйственных культур на 20% и более добились стимулированием фотосинтеза ученые из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне, США, 29 ноября сообщает пресс-служба университета.

Руководитель проекта «Реализация повышения эффективности фотосинтеза» (RIPE) в Институте геномной биологии Карла Р. Везе при Университете Иллинойса профессор Стивен Лонг рассказал о достигнутых успехах на конференции фонда TED в Ванкувере, Канада.

RIPE — это международная исследовательская инициатива, направленная на улучшение фотосинтеза сельскохозяйственных растений с целью решения проблемы нехватки продовольствия в мире. По словам Лонга, проект предлагает свои технологические разработки фермерам в бедных регионах мира без лицензионных отчислений.

В своем докладе ученый рассказал о трех исследованиях, которые позволили им добиться ощутимых результатов по увеличению урожайности сельхозкультур.

«Фотосинтез — наиболее изученный из всех растительных процессов. И благодаря этим знаниям мы понимаем, что даже наши самые продуктивные культуры достигают лишь 1/5 потенциальной эффективности этого процесса», — пояснил он своей аудитории на конференции.

Чтобы лучше понять причину такой неэффективности, Лонг и его коллеги смоделировали на компьютере 170-шаговый процесс фотосинтеза, создав то, что он назвал его «цифровым двойником». Модель помогла увидеть три узких места в этом процессе.

Исследователи обнаружили, что увеличением уровня определенных белков, связанных с этими этапами фотосинтеза, а также добавлением некоторых новых белков в процесс можно устранить эти «узкие места».

Они выяснили, что эффективность фотосинтеза возрастает при увеличении количества встречающегося в природе фермента SbPase, который, согласно модели, у растений был в дефиците.

«Мы ввели дополнительные копии генов, кодирующих этот белок. Мы произвели его больше. У нас усилился фотосинтез. Мы получили более высокий урожай, — рассказал Лонг. — Но мы задавались вопросом, почему эволюция или отбор селекционеров еще не сделали этого».

И когда его коллега выдвинул гипотезу, что растения развивались в атмосфере с гораздо более низким уровнем углекислого газа, чем сейчас, ученые провели дополнительные исследования — одно с более низким содержанием CO₂ в воздухе, а другое с его уровнями, ожидаемыми в будущем.

Результаты показали, что текущие уровни SbPase в растениях оптимальны для гораздо более низких уровней CO₂ в атмосфере, чем существуют сегодня, и что увеличение SbPase будет способствовать повышению эффективности фотосинтеза при более высоких концентрациях CO₂.

Второе исследование команды RIPE помогло повысить продуктивность растений за счет добавления метаболического пути, уменьшающего потери энергии при переработке растениями побочных продуктов фотодыхания.

Третье исследование показало, как нужно изменить процесс, с помощью которого растения активизируют и отключают фотосинтез в своих листьях на ярком солнце или в тени других листьев. Модель показала, что эти внутрилистовые корректировки обычно происходят слишком медленно и это «снижает производительность растений примерно от 20% до 40%», сообщил Лонг.

Ученые выявили три белка, увеличение количества которых ускоряет адаптацию листьев к колебаниям освещенности. Увеличив производство этого белка вышеописанным способом, исследователи добились для сои более чем 20-процентной прибавки урожайности семян.

Таким образом, заявил Лонг, «усиливая фотосинтез, мы можем снизить риск нехватки продовольствия для некоторых из наиболее уязвимых слоев населения, мы можем защитить окружающую среду, предотвращая необходимость освоения еще большего количества земель для производства продуктов питания и, возможно, что мы даже сможем сократить углекислый газ в атмосфере».