Badaczom udało się poprawić fotosyntezę tytoniu, w wyniku czego zwiększyli plony aż o 40 proc. w porównaniu do ich dzikich krewnych. Metoda ta może być także zastosowana dla upraw, takich jak ryż, pszenica czy ziemniaki, które są podstawą żywieniową milionów osób na całym świecie.
Fotosynteza to proces biochemiczny, który pozwala roślinom zamieniać światło słoneczne i dwutlenek węgla w energię. Jednak w większości upraw, w tym tych najbardziej pożądanych, takich jak ryż czy pszenica, fotosynteza wytwarza toksyczne produkty uboczne, które zmniejszają jej efektywność. By eliminować te produkty uboczne, rośliny wyewoluowały inny proces biochemiczny – fotooddychanie (fotorespiracja), który przekształca je w składniki użyteczne metabolicznie. Niestety wiąże się to ze znacznym kosztem energetycznym i ograniczeniami potencjału produkcyjnego.
Naukowcy z University of Illinois oraz Departamentu Rolnictwa USA twierdzą, że znaleźli sposób przezwyciężenia naturalnych ograniczeń w procesie fotosyntezy, które ograniczają wydajność upraw. Opracowali oni szlak metaboliczny w transgenicznych roślinach tytoniu, który bardziej efektywnie odzyskuje produkty uboczne fotosyntezy przy mniejszej utracie energii.
Próby terenowe pokazały, że zmodyfikowany tytoń dał o około 40 proc. plonów więcej niż jego dziki krewny. Metoda ta może być również stosowana do znacznego zwiększenia plonów z najważniejszych upraw, które są podstawą żywieniową milionów osób.
Badanie zostało opublikowane w czasopiśmie „Science”.
- Moglibyśmy każdego roku wykarmić do 200 milionów osób więcej kaloriami utraconymi na skutek procesu fotooddychania tylko dzięki plonom zebranym w Środkowo-Zachodnim USA – powiedział Donald Ort, współautor badań. - Odzyskanie nawet części tych kalorii na całym świecie znacznie przyczyniłoby się do zaspokojenia szybko rosnących potrzeb żywieniowych w XXI wieku, napędzanych wzrostem populacji i wysokokalorycznymi dietami – dodał.
Szacuje się, że do połowy tego stulecia na skutek wzrostu populacji wzrośnie zapotrzebowanie na produkty spożywcze na całym świecie o 60-120 proc. w porównaniu z 2005 rokiem. Za rosnącą liczbą ludzi nie nadąża rolnictwo. Plony rosną średnio mniej niż 2 proc. na rok. Jest wysoce prawdopodobne, że do 2050 roku wystąpi znaczny niedobór żywności.
Stosowanie nawozów sztucznych, pestycydów i mechanizacja rolnictwa zwiększyła plony w ciągu ostatnich kilku dziesięcioleci, jednak ich potencjał do przyszłego wzrostu jest ograniczony. Do tego należy dodać problem zmian klimatycznych, które według wielu badaczy, ograniczą areał gruntów rolnych w skali globalnej.
Fotosynteza wykorzystuje enzym RuBisCO. Przy pomocy światła słonecznego enzym ten zmienia dwutlenek węgla i wodę w cukry, które napędzają wzrost roślin. Przez tysiąclecia RuBisCO stał się ofiarą własnego sukcesu, tworząc atmosferę bogatą w tlen. Niezdolny do niezawodnego rozróżnienia tych dwóch molekuł, enzym chwyta tlen zamiast dwutlenku węgla w około 20 proc. przypadków. To powoduje powstanie toksycznego dla roślin związku, który musi zostać poddany recyklingowi w procesie fotooddychania, a to z kolei kosztuje roślinę cenną energię, która mogłaby zostać wykorzystana do zwiększenia plonów.
- Fotooddychanie to anty-fotosynteza. Pozbawia roślinę cennej energii i zasobów, które mogłaby zainwestować w fotosyntezę, aby uzyskać większy wzrost i tym samym większe plony – wyjaśnił Paul South, główny autor badań.
Fotooddychanie zwykle przebiega dość skomplikowaną drogą przez trzy elementy w komórce roślinnej. Naukowcy opracowali alternatywne ścieżki procesu oddychania, drastycznie skracając drogę i oszczędzając zasoby. Dzięki temu tytoń zwiększył plony aż o 40 proc.
- Podobnie jak Kanał Panamski był wyczynem inżynieryjnym, który zwiększył efektywność światowego handlu, ten skrót w procesie fotooddychania jest wyczynem inżynierii roślin, który pozwala na znaczne zwiększenie wydajności fotosyntezy – przyznał Stephen Long, dyrektor międzynarodowego projektu badawczego „Realizing Increased Photosynthetic Efficiency" (RIPE).
Badacze opracowali trzy alternatywne trasy dla procesu fotorespiracji. Aby zoptymalizować nowe szlaki, zaprojektowali konstrukcje genetyczne przy użyciu różnych zestawów promotorów i genów, tworząc w zasadzie zestaw unikatowych map drogowych. Badacze przetestowali nowe trasy na 1700 roślinach. W badaniach terenowych trwających ponad dwa lata naukowcy odkryli, że te zmodyfikowane rośliny rozwijają się szybciej, stają się wyższe i produkują około 40 proc. więcej biomasy.
Dlaczego tytoń? To idealna roślina do badań. Łatwo ją modyfikować i testować. Ale po udanych testach z tytoniem naukowcy chcą zająć się bardziej pożądanymi roślinami, takimi jak soja, ryż, ziemniaki czy pomidory.
Jednym z ważnych aspektów fotooddychania jest to, że staje się bardziej rozpowszechnione w wyższych temperaturach i w warunkach suszy. - RuBisCO ma więcej problemów z odróżnieniem dwutlenku węgla od tlenu w wyższych temperaturach. To powoduje zwiększenie procesu fotorespiracji. Naszym celem jest zbudowanie lepszych roślin, które będą w stanie czerpać energię w wyższych temperaturach dziś i w przyszłości. Chcemy pomóc rolnikom dostarczając im technologię potrzebną do wyżywienia świata – powiedziała Amanda Cavanagh, współautorka badań.
Badanie jest częścią wspomnianego już projektu RIPE, który ma na celu inżynieryjne usprawnienie roślin, by uzyskać wydajniejszą fotosyntezę. Wszystko po to, by w sposób zrównoważony zwiększać produkcję żywności na całym świecie. Projekt jest finansowany przez Fundację Billa i Melindy Gatesów, Foundation for Food and Agricultural Research oraz Departament Rozwoju Międzynarodowego rządu brytyjskiego.
Źródło: Carl R. Woese Institute for Genomic Biology, New Scientist, fot. Claire Benjamin/RIPE Project
