Растения, такие как соевые бобы и пшеница, тратят 20-50% своей энергии на переработку токсичных химических веществ, созданных, когда фермент Rubisco (самый распространенный фермент в мире) поглощает молекулы кислорода вместо молекул углекислого газа. По данным нового исследования, проведенного учеными из Университета Эссекса, опубликованного в журнале Plant Biotechnology Journal, увеличение производства общего, естественно происходящего белка, в листьях растений может повысить урожайность основных продовольственных культур почти на 50%.
Эта работа является частью международного исследовательского проекта, реализующего повышение эффективности фотосинтеза (RIPE), который поддерживается Фондом Билла и Мелинды Гейтс, Фондом исследований в области пищевых продуктов и сельского хозяйства, а также Департаментом международного развития Британии.
В этом исследовании команда разработала модель урожая для сверхэкспрессии местного белка, который участвует в процессе рециркуляции, называемом фотодыханием. За два года полевых испытаний они обнаружили, что увеличение H-белка на листьях растений увеличивает производство на 27-47%. Тем не менее, увеличение этого белка во всем растении замедляет рост и метаболизм, в результате чего четырех недельное растение оказывается в два раза меньше своих неизмененных аналогов.
«Ученые традиционно использовали промоторы, которые экспрессируют белки на высоких уровнях по всему растению, и есть много примеров, где это работает очень хорошо», - говорит ведущий автор Патрисия Лопес-Кальяньо, старший научный сотрудник в Эссексе. «Но для H-белка мы показали, что больше не всегда лучше, когда мы используем этот метод на других культурах, нам нужно настраивать изменения белка на правильные уровни в правильных тканях».
Предыдущие исследования увеличили уровень H-белка в Arabidopsis, небольшом модельном растении, используемом в лабораторных экспериментах. Это первый случай, когда H-белок оценивается в культурах в условиях роста в реальном мире. Команда использовала табак, который широко считается лабораторной крысой биологии растений, потому что его легко генетически спроектировать, и его можно быстро выращивать и тестировать в открытых полевых испытаниях. Как только доказано, что модификация эффективна в табаке, такой же подход может быть применен к продовольственным культурам, которые необходимы для питания нашего растущего населения.
«Реальность заключается в том, что по мере того, как сезонная температура продолжает расти, рост урожая, вызванный фотодыханием, также увеличится», – сказал соавтор Пол Юг, докторант USDA-ARS в Институте геномной биологии Университета Карла Р. Везе из Иллинойса. «Если мы сможем перевести это открытие на продовольственные культуры, мы сможем снабдить фермеров устойчивыми растениями, способными вырабатывать больше пищи, несмотря на повышение температурного стресса».
Затем команда планирует увеличить уровни этого естественного белка в соевых бобах, вихрях (черноглазых горохах) и кассаве, урожае тропических корней, которые являются основным продуктом более чем для миллиарда людей во всем мире. Их цель – увеличить урожайность и возможности для фермеров по всему миру, особенно мелких фермеров в странах Африки к югу от Сахары и в Юго-Восточной Азии.
Для дальнейшего увеличения урожайности команда планирует совместить эту черту с другими, разработанными в рамках проекта RIPE, включая метод, о котором ранее говорилось в Science, который увеличивает производство на 20%, помогая растениям быстрее адаптироваться к колебаниям световых уровней.
«Усовершенствования, полученные с помощью описанной здесь индивидуальной черты, приближают нас на один шаг к удовлетворению неизбежных потребностей в пище 2050 года. Кроме того, объединив эту черту с другими успешными особенностями в RIPE, мы можем сделать урожай, необходимый для того, чтобы накормить растущее население в этом веке», - говорит главный исследователь Кристин Рейнс, профессор молекулярной физиологии растений в Эссексе. «Мы стремимся как можно быстрее развивать эти устойчивые технологии и гарантируем, что фермеры и сообщества, которые в них нуждаются, будут иметь глобальный доступ».