Учёные "взломали" фотосинтез растений, чтобы повысить их урожайность на 40%

Урожайность сельскохозяйственных культур может быть повышена примерно на 40 процентов благодаря устранению распространённой "ошибки" в фотосинтезе, заявила международная команда исследователей. Они же впервые продемонстрировала такой "трюк" на практике.

По мнению экспертов, подобная оптимизация может значительно увеличить урожаи по всему миру.

Напомним, что фотосинтез – это процесс, помогающий растению преобразовывать солнечный свет в химическую энергию. Однако, как выяснили учёные, у этого изобретения эволюции есть существенные изъяны.

Так, в ходе фотосинтеза важную роль играет фермент RuBisCO (рибулозобисфосфаткарбоксилаза). Благодаря ему и энергии солнечного света углекислый газ и вода преобразуются в "топливо", необходимое для роста растений. Однако для фермента, которые столь важен для жизни на Земле (в процессе фотосинтеза тысячи растений планеты порождают огромное количество кислорода), он удивительно не эффективен. Многие другие ферменты могут работать с тысячами молекул, в то время как RuBisCO "обрабатывает" лишь две-три.

Кроме того, как шутят учёные, RuBisCO часто становится жертвой собственного успеха: не в состоянии безошибочно различить две молекулы (CO₂ и O₂), RuBisCO иногда неверно захватывает кислород вместо углекислого газа. Подобные сбои случаются примерно в 20 процентах случаев.

В результате происходит фотодыхание , своего рода антифотосинтез. Кроме того, растение тратит на этот процесс драгоценные ресурсы, которые могли бы быть использованы для фотосинтеза, а значит, роста (и увеличения урожаев).

Считается, что у таких растений, как соя, рис и пшеница, фотодыхание может снижать эффективность определённых видов фотосинтеза на 20-50%. Поэтому совсем неудивительно, что учёные всего мира пытаются найти способы снизить энергетические затраты на этот процесс.

Собственно, по этой причине в 2012 году был основан международный исследовательский проект "Повышение эффективности фотосинтеза" (Realizing Increased Photosynthetic Efficiency, или RIPE). Основной целью проекта стала разработка способов повышения урожайности продовольственных культур за счёт создания более эффективных методов фотосинтеза. Проект в основном финансируется Фондом Билла и Мелинды Гейтс (Bill and Melinda Gates Foundation).

В рамках недавней работы исследовательская группа на протяжении двух лет разрабатывала более эффективный способ фотодыхания.

Тестируя различные методы на 1700 растениях, учёные создали сразу три способа. Новые методы фотодыхания используют альтернативные наборы промоторов и генов, позволяя растениям получать те же результаты, затрачивая при этом гораздо меньше энергии.

"Подобно тому как Панамский канал стал инженерным успехом, позволившим повысить эффективность торговли, эти кратчайшие фотореспираторные пути стали достижением инженерии растений. Оно является уникальным средством значительного повышения эффективности фотосинтеза", – говорит Стивен Лонг (Stephen Long) из RIPE.

Красный автомобиль представляет собой немодифицированные растения, которые используют извилистый и энергозатратный процесс под названием фотодыхание. Синий автомобиль – растение, спроектированное таким образом, чтобы перемещаться по другой "трассе", сокращающей путь фотодыхания. Это позволит растению сохранить топливо и использовать энергию на повышение продуктивности на целых 40%. RIPE Project.

Специалисты проверили эффективность нового процесса на табачных культурах. Поясним, что эти растения часто становятся "мишенью" многих исследований из-за их короткого жизненного цикла и простоты модификации.

Два года исследований показали, что спроектированные растения вырастают выше, быстрее и производят на 40 процентов больше биомассы, чем их обыкновенные аналоги.

Отмечается, что специалисты впервые протестировали спроектированное фотодыхание в реальных агрономических условиях.

В будущем учёные хотят применить подобный метод к более распространённым продовольственным культурам: сое, рису, картофелю и томатам. Таким образом специалисты надеются повысить урожайность этих культур.

Впрочем, как предполагают исследователи, пройдёт не менее десятка лет, прежде чем подобные технологии начнут применять в реальных условиях.

Авторы работы отмечают, что одним из основополагающих принципов RIPE является доступность создаваемых инноваций. Иными словами, даже небольшие фермерские хозяйства смогут получить доступ к разработкам, чтобы эти технологические прорывы помогли накормить растущее население в странах третьего мира.

"Мы могли бы ежегодно дополнительно накормить до 200 миллионов человек калориями, потерянными из-за фотодыхания на Среднем Западе США", – пояснил главный исследователь Дональд Орт (Donald Ort) из Института геномной биологии имени Карла Вёзе при Университете Иллинойса.

По его словам, восстановление даже части этих калорий во всём мире сыграет важную роль в удовлетворении быстро растущего спроса на продукты питания.

Результаты работы представлены в научном издании Science.

Добавим, что ранее авторы проекта "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) рассказывали о других методах, улучшающих способность растений к фотосинтезу. В частности, учёным удалось добиться успеха при помощи нанотехнологий.