«Нормальные ученые идут в обход»: фотосинтез без ошибок — урожай без потерь
Продуктивность и урожайность растений можно повысить на 40%, если правильно отредактировать процесс фотосинтеза на молекулярном уровне, показали эксперименты американских ученых, 5 января сообщает журнал Science.
Ученые придумали, как исправить «ошибку», которая была заложена природой в процесс фотосинтеза и не позволяла растениям усваивать углекислый газ (CO2) из воздуха в полном объеме.
Известно, что за связывание (CO2) при фотосинтезе отвечает фермент рибулозобисфосфаткарбоксилаза (RuBisCO). Она способствует присоединению углекислоты к рибулозо-1,5-бисфосфату (РБФ). В результате из каждой молекулы РБФ образуются две молекулы 3-фосфоглицерата, которые вовлекаются в цикл Кальвина-Бенсона для последующего синтеза глюкозы (C6H12O6).
Вся беда в том, что этот фермент недостаточно специфичен и может фиксировать, наряду с CO2, атмосферный кислород (O2). При кислородном окислении РБФ в присутствии RuBisCO образуются 3-фосфоглицерат и токсичный 2-фосфогликолат в соотношении 1:1.
Именно для нейтрализации последнего природа предусмотрела своего рода «аварийный контур» — фотодыхание (гликолатный путь). Конечный результат этого процесса — превращение 2-фосфогликолата в 3-фосфоглицерат. Если фотосинтез полностью локализован в хлоропластах, то ключевые стадии фотодыхания протекают в других внутриклеточных структурах — пероксисомах и митохондриях.
Однако эта предусмотрительность оборачивается немалой расточительностью. При фотодыхании весь углекислый газ, изначально запасенный в 2-фосфогликолате, высвобождается в митохондриях. Три четверти от этого количества вновь связывается RuBisCO, однако 25% CO2 безвозвратно улетучивается в атмосферу. Эти углеродные потери ощутимо снижают производительность фотосинтеза.
Чтобы обойти это ограничение, ученые искусственно перенаправили фотодыхание у растений табака в новое русло. Для этого они внедрили в ДНК хлоропластов гены двух ферментов — гликолатдегидрогеназы из водоросли Chlamydomonas reinhardtii и тыквенной малатсинтазы. Поясним, что хлоропласты имеют свой генетический аппарат, отдельный от того, который находится в ядре всех растительных клеток.
Гликолатдегидрогеназа превращает гликолат (продукт отщепления фосфатной группы от 2-фосфогликолата) в глиоксилат, из которого затем в присутствии малатсинтазы и ацетилкофермента A (ацетил-КоА) образуется малат (соль яблочной кислоты). Далее малат окисляется до ацетил-КоА уже с помощью «родных» ферментов табака, после чего цикл повторяется.
Это окисление, как и классическое фотодыхание, сопровождается выделением углекислого газа, но не в митохондриях, а в хлоропластах, где шанс на вторичное связывание CO2 гораздо выше. Кроме того, высокое парциальное давление углекислоты в хлоропластах увеличивает соотношение CO2/O2 в непосредственной близости от молекул RuBisCO.
В результате кислород связывается этим ферментом гораздо реже, чем при функционирующем гликолатном пути, что дополнительно повышает эффективность фотосинтеза. Чтобы гарантированно «отключить» это путь, ученые подавили выработку белка PLGG1, который обеспечивает перенос полупродуктов фотодыхания из хлоропластов в пероксисомы и митохондрии, а затем обратно.
Дальнейшие эксперименты показали, что эффективность связывания CO2 напрямую определяет продуктивность растений табака. Экземпляры с «исправленным» механизмом фотосинтеза набирали за два вегетационных периода на 25% больше зеленой массы, чем их «нормальные» собратья. Если же дополнительно подавлялась выработка PLGG1, то прирост достигал 40%.
Отметим, процесс фотодыхания открыл в 1920 году немецкий биохимик Отто Варбург, за что и был вскоре удостоен Нобелевской премии. Замедление фотосинтеза при высоких концентрациях атмосферного O2 известно в науке как эффект Варбурга. Этот феномен не стоит путать с одноименным явлением в онкологии, которое связано с изменением типа метаболизма в раковых клетках.
Американские биологи — не первые, кто пытается исправить «ошибку» природы, из-за которой растениям пришлось научиться «дышать». Так, например, предпринимались попытки «пересадить» в сельскохозяйственные культуры ген RuBisCO из красной водоросли Galdieria partita — организма, который практически не фиксирует O2 в процессе фотосинтеза.
Существуют и другие перспективные подходы, которые в случае их успешной реализации могли бы произвести переворот в агрономии. Так, например, западные ученые пытаются вывести генно-модифицированные растения, которые были бы способны усваивать азот напрямую из воздуха. Для таких сельскохозяйственных культур могла бы полностью отпасть необходимость в азотных удобрениях.
Читайте также: «Без посредников»: ученые обещают, что азотные удобрения уйдут в прошлое
Подсчитано, что фотодыхание, в зависимости от климатических и погодных условий, снижает эффективность фотосинтеза на 20–50%. Это означает, что в исправлении этой «ошибки» заложен огромный потенциал, путь к раскрытию которого наметили американские ученые.
В самом деле, цифра в 40% прироста урожайности звучит по-настоящему революционно. Предложенная технология, будучи внедрена повсеместно, сможет прокормить десятки, а то и сотни миллионов людей по всему миру. С потенциальным экономическим эффектом от «исправления» фотосинтеза не сможет сравниться даже «зеленая революция» 1940–1970 годов, связанная с химизацией сельского хозяйства.
Другое дело, что между первичной реализацией столь многообещающей технологии и ее широкомасштабным внедрением лежит пропасть, перемахнуть через которую вряд ли позволят всевозможные бюрократические инстанции и крупный агробизнес. Наверняка не обойдется и без противодействия со стороны общественности, которая воспринимает генную инженерию сугубо враждебно.
