Биоинженерия улучшает фотосинтез и повышает урожайность продовольственных культур
Впервые исследователи проекта RIPE доказали, что многогенная биоинженерия фотосинтеза повышает урожайность основных продовольственных культур в полевых испытаниях. После более чем десяти лет работы над этой целью совместная группа под руководством Университета Иллинойса трансгенно изменила растения сои, чтобы повысить эффективность фотосинтеза, что привело к увеличению урожайности без потери качества.
Эти результаты появились в критически важное время. Согласно последнему отчету ООН, в 2021 году почти 10% населения мира страдало от голода. По прогнозам ЮНИСЕФ, к 2030 году более 660 миллионов человек столкнутся с нехваткой продовольствия. Цели данного исследования и проекта RIPE — улучшить доступ к продовольствию и устойчивость сельскохозяйственных культур.
Realizing Increased Photosynthetic Efficiency (RIPE) — это международный исследовательский проект, направленный на увеличение глобального производства продовольствия за счет повышения эффективности фотосинтеза у культур для мелких фермеров в Африке к югу от Сахары.
«Наше исследование показывает эффективный способ повышения продовольственной безопасности для тех, кто больше всего в этом нуждается», — сказала Аманда Де Соуза, научный сотрудник проекта RIPE и ведущий автор.
Фотосинтез — удивительно неэффективный процесс, состоящий из более чем 100 этапов. В работе, недавно опубликованной в журнале Science, группа улучшила VPZ-конструкт в растении сои, чтобы повысить эффективность фотосинтеза.
VPZ-конструкт содержит три гена, кодирующих белки ксантофиллового цикла — пигментного цикла, который помогает в фотозащите растений. В тени этот механизм защиты должен отключаться, чтобы листья могли продолжить фотосинтез. На это у растения уходит несколько минут.
Сверхэкспрессия трех генов в VPZ-конструкте ускоряет этот процесс. Каждый раз, когда лист переходит из света в тень, фотозащита отключается быстрее. Листья получают дополнительные минуты для фотосинтеза, что в течение всего сезона увеличивает общую скорость фотосинтеза. Исследование показало увеличение урожайности более чем на 20% без ущерба для качества семян.
«Несмотря на более высокую урожайность, содержание белка в семенах не изменилось. Это говорит о том, что часть дополнительной энергии от улучшенного фотосинтеза, вероятно, была перенаправлена бактериям, фиксирующим азот, в клубеньках растения», — сказал Стивен Лонг, директор RIPE.
Исследователи сначала проверили свою идею на растениях табака из-за простоты трансформации генетики, а затем перенесли генетическую конструкцию в сою — более сложную продовольственную культуру.
«Тот факт, что мы теперь показали очень существенное увеличение урожайности как у табака, так и у сои, двух очень разных культур, позволяет предположить, что этот метод имеет универсальную применимость», — отметил Лонг.
Дополнительные полевые испытания этих трансгенных растений сои продолжаются, их результаты ожидаются в начале 2023 года.
Проект RIPE и его спонсоры стремятся обеспечить глобальный доступ к технологиям и сделать их доступными для фермеров, которые больше всего в них нуждаются.