Кукуруза и другие культуры не адаптированы к повышенному уровню CO₂
Хотя растения в процессе фотосинтеза превращают CO₂ в урожай, логичное предположение о том, что больше CO₂ должно повышать продуктивность, верно не для всех культур. Новый обзор Университета Иллинойса показывает, что некоторые растения, включая кукурузу, адаптированы к доиндустриальной среде и не могут эффективно распределить ресурсы, чтобы использовать дополнительный CO₂.
Большинство растений (соя, рис, рапс, деревья) относятся к C3-типу, так как сначала фиксируют CO₂ в углевод с тремя атомами углерода. Кукуруза, сорго и сахарный тростник — это C4-растения, фиксирующие CO₂ в четырёхуглеродный углевод. В среднем C4-культуры на 60% продуктивнее C3.
Исследования в условиях повышенного CO₂, имитирующих будущую атмосферу, показывают, что продуктивность C3-культур может расти, в то время как C4-культуры, вероятно, не станут более продуктивными.
"Как учёные, мы должны думать на несколько шагов вперёд... и проектировать культуры, которые будут хорошо себя чувствовать в таких условиях", — говорит Чарльз Пиньон, бывший постдок в Иллинойсе.
Обзор, опубликованный в Plant, Cell & Environment, был поддержан проектом WEST (Water Efficient Sorghum Technologies), финансируемым ARPA-E (Advanced Research Projects Agency-Energy) и направленным на создание биоэнергетических культур с высокой биомассой и низким потреблением воды.
Команда собрала данные по фотосинтезу 49 видов C4-растений. Выявилась закономерность:
- При низком CO₂ (ниже доиндустриального уровня) фотосинтез C4 ограничивался активностью фермента, фиксирующего CO₂.
- При современном уровне CO₂ ограничивающим фактором стала способность обеспечить трёхуглеродную молекулу, которая принимает CO₂.
"Это аналогично сборочной линии, где поставка двигателей опережает поставку шасси для них", — поясняет соавтор Стивен Лонг.
Авторы предлагают два пути инженерной оптимизации C4-культур:
- Сократить инвестиции в фермент для фиксации CO₂ и перенаправить ресурсы на производство большего количества молекулы-акцептора CO₂.
- Ограничить поступление CO₂ в лист, уменьшив количество устьиц на его поверхности. Это переоптимизирует биохимию без снижения фотосинтеза и повысит водоэффективность культуры за счёт меньшего испарения.
Предложенные изменения теперь разрабатываются в рамках Центра инноваций в области передовой биоэнергетики и биопродуктов (CABBI), поддерживаемого Министерством энергетики США.