Снижение уровня хлорофилла повышает содержание азота в семенах
Хлорофилл играет ключевую роль в фотосинтезе, поэтому растения эволюционировали, чтобы иметь высокий уровень этого пигмента в листьях. Однако его синтез требует больших затрат азота, который растения вкладывают как в сам хлорофилл, так и в специальные белки, связывающие его. В результате азот становится недоступным для других процессов.
В новом исследовании ученые снизили уровень хлорофилла в листьях, чтобы проверить, будет ли растение направлять сэкономленный азот на улучшение питательных качеств.
Проблема эффективности фотосинтеза в плотном пологе
При высокой плотности посевов верхние листья поглощают более 90% падающего света, но не могут использовать его весь, в то время как нижние слои испытывают световое голодание. Рациональным решением стало снижение количества хлорофилла в верхней части полога, чтобы больше света проникало вниз и использовалось более эффективно.
Метод: управляемое снижение синтеза хлорофилла
Исследователи использовали табак в качестве модели. Чтобы снижение хлорофилла происходило только после формирования плотного полога, они применили малые интерферирующие РНК (small RNAs), которые подавляют ключевые этапы синтеза хлорофилла. Производство этих РНК было поставлено под контроль этанол-индуцируемого промотора — участка ДНК, активируемого при опрыскивании листьев этанолом.
Результаты: рост без ущерба и перераспределение азота
- Даже при снижении синтеза хлорофилла на 70% не наблюдалось ингибирования роста растений.
- Концентрация азота в семенах у растений с активированным промотором была на 17% выше. Это подтвердило гипотезу о том, что высвобожденный азот перенаправляется в другие процессы, повышая пищевую ценность семян.
- Ожидаемого увеличения урожайности не произошло. Это указывает на то, что растения не инвестировали достаточно дополнительного азота в усиление фотосинтетического аппарата в нижней части полога.
Выводы и перспективы
Исследование доказывает, что контролируемое снижение хлорофилла в стадии налива семян — перспективная стратегия для повышения питательной ценности урожая без ущерба для роста. Следующей инженерной задачей станет направление сэкономленного азота именно на увеличение фотосинтетической способности.
В будущей работе ученые планируют заменить этанол-индуцируемый промотор на более практичные для сельского хозяйства свето-индуцируемые промоторы, реагирующие на интенсивность или цвет света.
Исследование "Reducing chlorophyll levels in seed-filling stages results in higher seed nitrogen without impacting canopy carbon assimilation" опубликовано в журнале Plant, Cell & Environment.