Фотодыхание как основа для улучшения метаболизма растений
Фотодыхание у современных растений рассеивает часть энергии, произведенной фотосинтезом, и высвобождает CO2. Процесс запускается, когда фермент RuBisCO действует на кислород вместо углекислого газа, создавая токсичные побочные продукты, требующие энергозатратных реакций рециклинга. Этот процесс детоксикации расходует фиксированный углерод и энергию, сильно ограничивая сельскохозяйственную продуктивность.
Ученые разработали решение, которое синергетически связывает фотодыхание и C4-метаболизм. В рамках проекта Gain4Crops исследователи под руководством Андреаса Вебера и Тобиаса Эрба превратили недавно открытый обходной путь фотодыхания BHAC в механизм усиления углерода у C3-растений.
Команда ввела ферменты микробного пути BHAC в модельное растение Arabidopsis thaliana. Эти ферменты успешно преобразуют продукт фотодыхания в источник синтетического C4-цикла, не рассеивая углерод, азот или энергию.
После успешной трансформации растений измерения газообмена и профилирование метаболитов подтвердили, что растение сохраняет азот и накапливает характерные C4-метаболиты. Модельное растение Arabidopsis не показало увеличения количества CO2, ассимилированного в процессе фотосинтеза, за счет CO2, выделяемого при фотодыхании. Однако, как отметила команда, несколько "узких мест" могут маскировать полный потенциал пути BHAC.
Для полной реализации потенциала пути по увеличению фиксации углерода и урожайности его необходимо улучшить, выявив другие цели с помощью кинетических и геномных метаболических моделей. Проект Gain4Crops планирует протестировать новый путь на ряде модельных организмов с возрастающей клеточной и анатомической сложностью, прежде чем перейти к конечной цели — подсолнечнику.
Это исследование представляет собой первое доказательство концепции механизмов концентрирования углерода у C3-растений, зависящих от фотодыхания, связывая решение с проблемой. Более продуктивные фотосинтезирующие культуры могут стать ценным инструментом в условиях изменения климата благодаря своей устойчивости и сниженному потреблению ресурсов.
"Повышение устойчивости, вероятно, является самой большой проблемой XXI века, и, хотя нет единого "серебряной пули", сочетание различных решений может привести к эффективному улучшению", — говорит Андреас Вебер.
В поисках более устойчивого сельского хозяйства, использующего меньше земли и ресурсов, генетически модифицированные культуры, решающие проблему фотодыхания, могут стать частью решения.