Ген BOOSTER в тополях повышает эффективность фотосинтеза и рост растений
Учёные идентифицировали у тополей ген, который усиливает фотосинтез и может увеличивать высоту деревьев. Исследование «An orphan gene BOOSTER enhances photosynthetic efficiency and plant productivity» опубликовано в Developmental Cell. Работа выполнена совместно Центром инноваций в области передовой биоэнергетики и биопродуктов Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне и Центром биоэнергетических инноваций Национальной лаборатории Ок-Ридж.
Хлоропласты — ключевые клеточные структуры, содержащие аппарат для фотосинтеза, преобразующий световую энергию в химическую для роста растений. Белок Rubisco захватывает углекислый газ из атмосферы. Учёные годами искали способы увеличить количество Rubisco в растениях для повышения урожайности и поглощения атмосферного CO2.
«Исторически многие исследования фокусировались на стационарном фотосинтезе, когда все условия постоянны. Однако это не отражает полевую среду, где свет может постоянно меняться», — отметил Стивен Бёрджесс, доцент интегративной биологии в Иллинойсе. «В последние годы эти динамические процессы стали считаться более важными, но они плохо изучены».
В новом исследовании учёные сосредоточились на тополе, поскольку это быстрорастущая культура и ведущий кандидат для производства биотоплива и биопродуктов. Они отобрали ~1000 деревьев на открытых опытных участках и проанализировали их физические характеристики и генетический состав для проведения полногеномного ассоциативного исследования (GWAS). Команда использовала популяцию GWAS для поиска генов-кандидатов, связанных с фотосинтетическим тушением — процессом, регулирующим скорость адаптации растений к переходу от солнца к тени и рассеиванию избыточной энергии при слишком ярком солнце для избежания повреждений.
Один из генов, названный исследователями BOOSTER, оказался необычным, потому что уникален для тополя и, хотя находится в ядерном геноме, содержит последовательность, происходящую из хлоропласта.
Команда обнаружила, что этот ген способен увеличивать содержание Rubisco и последующую фотосинтетическую активность, что приводило к увеличению высоты растений тополя в условиях теплицы. В полевых условиях учёные установили, что генотипы с более высокой экспрессией BOOSTER были до 37% выше, увеличивая биомассу на растение.
Команда также вставила ген BOOSTER в другое растение — Arabidopsis thaliana (резуховидку Таля), что привело к увеличению биомассы и производства семян. Этот результат указывает на более широкую применимость BOOSTER для потенциального повышения урожайности других растений.
«Это захватывающий первый шаг, хотя эксперименты были небольшими, и предстоит много работы. Если мы сможем воспроизвести результаты в крупном масштабе, этот ген имеет потенциал для увеличения производства биомассы у сельскохозяйственных культур», — сказал Бёрджесс.
Следующие шаги в исследовании могут включать тестирование на других биоэнергетических и пищевых растениях с записью продуктивности в различных условиях выращивания для анализа долгосрочного успеха. Также будут исследоваться другие гены, выявленные в GWAS-исследовании, которые могут способствовать улучшению сельскохозяйственных культур.