Ученые улучшили фотосинтез с помощью генной инженерии растений

Трансгенные растения табака, у которых оптимизировали фотосинтез, обогнали в росте обычные растения на 40%, согласно исследованию в журнале Science.

Почему это важно

Фотосинтез — довольно неэффективный процесс. Ученые сосредоточились на его улучшении, так как это один из немногих оставшихся способов резко повысить урожайность. "Нам действительно нужно уметь управлять фотосинтезом, потому что это действительно всё, что осталось", — говорит старший автор исследования, биолог растений Дон Орт.

Проблема: "ошибка" в системе

Ключевая проблема связана с ферментом RuBisCO, который фиксирует CO₂. В атмосфере, богатой кислородом, RuBisCO иногда ошибочно захватывает молекулу O₂. Образующееся соединение токсично, и растение вынуждено запускать энергозатратный процесс фотореспирации для его обезвреживания. Этот процесс снижает урожайность на 20–50%.

Решение: генетический "ярлык"

Команда Орта генетически модифицировала растения табака, встроив новые гены, которые создают более короткий и эффективный путь переработки нежелательного соединения внутри хлоропласта, минуя сложный естественный цикл. "Это действительно очень, очень сложная инженерия", — отмечает биолог растений Кристин Фойер.

Результаты

• В тепличных экспериментах модифицированные растения набрали на 25% больше биомассы.
• В полевых испытаниях (золотой стандарт) некоторые растения превзошли обычные на 40%.

Перспективы и ограничения

• Ученые уже начали внедрять аналогичные изменения в пищевые культуры: сою и картофель.
• Метод не подойдет для кукурузы и сахарного тростника, у которых другой механизм фиксации углерода.
• Исследование — часть проекта RIPE (Realizing Increased Photosynthetic Efficiency), направленного на повышение урожайности и борьбу с голодом.
• Команда также работает над "накоплением" признаков, комбинируя эту модификацию с другой, улучшающей использование света, что теоретически может дать прирост продуктивности более 50%.

Вызовы будущего

Урожайность растет всего на 1–2% в год. Чтобы накормить 9,7 млрд человек к 2050 году, производство пищи нужно увеличить на 25–70%. "Действительно есть некоторая срочность", — подчеркивает Орт, учитывая, что на вывод новой культуры с момента разработки до поля уходит 12–15 лет.

Однако предстоит решить еще много вопросов: стабильность признака в последующих поколениях, устойчивость растений к стрессам (например, засухе), а также общественное восприятие и регулирование ГМ-культур.