Как ученые помогают растениям максимально использовать фотосинтез
Фотосинтез — основа почти каждой пищевой цепи, поддерживающей жизнь на Земле. Однако природа не довела до совершенства искусство превращения солнечного света в сахар. Каждая эволюционная черта — это компромисс между пользой и энергетической стоимостью. Культурные растения конвертируют в биомассу менее 5% энергии света, а иногда и менее 1%.
Сегодня у нас есть знания и инструменты, чтобы максимизировать фотосинтез у продовольственных культур. Это необходимо, поскольку экстремальные погодные явления, вызванные изменением климата, угрожают урожаям во всем мире.
Проблема фотодыхания
Растения, такие как пшеница, иногда ошибочно производят токсичное вещество 2-фосфогликолат, на переработку которого тратится энергия. Этот процесс называют фотодыханием. Он происходит, когда ключевой для фотосинтеза фермент рубиско связывается с молекулой кислорода вместо CO2.
Рубиско совершает эту ошибку в до 40% случаев. Причины:
- В атмосфере, обогащенной древними цианобактериями, много кислорода.
- Повышение температуры усиливает фотодыхание.
Предотвращение этой ошибки позволило бы растениям направлять больше энергии на фотосинтез.
Решения: обходные пути и скорость реакции
Проект PhotoBoost исследует создание внутреннего "обходного пути" для снижения фотодыхания у риса и картофеля. По аналогии с шунтированием у человека, этот генетический инструмент минимизирует ошибку рубиско. Гены цианобактерий предоставляют ферменты для лучшего управления солнечным светом.
Другие ученые изучают кукурузу, которая эволюционно развила свои механизмы борьбы с фотодыханием, как источник идей и генов для риса.
Также улучшается скорость реакции растений на изменение интенсивности света. При избытке солнца растения отключают фотосинтетический аппарат и медленно重启 (перезапускают) его, когда свет снова становится рассеянным. Исследования в США показали, что ускорение этого процесса фотозащиты у сои повышает урожайность семян на 33%.
Как отмечают исследователи из Ланкастерского университета Элизабете Кармо-Силва и Ана Морейра Лобу: "Изменение климата, снижение урожайности и нехватка воды представляют собой основные проблемы для производства продовольствия в этом веке". Улучшение фотосинтеза не только повысит урожай, но и усилит устойчивость растений к засухе и тепловому стрессу.
Новые инструменты и восприятие
Генетическое редактирование позволяет "включать" и "выключать" гены, изучая их влияние на растение. После определения функции гены можно подавлять, усиливать или вводить (как в ГМ-культурах с 1990-х).
По словам Нельсона Сайбо и Изабель Абреу из Университета Нова де Лисбоа, современные инструменты селекционеров стали более "точными". Их команда использует редактирование генов для улучшения фотосинтеза у риса.
Фермеры, выращивающие картофель в Восточной Англии, видят в повышении эффективности фотосинтеза путь к освобождению земель для природы (например, под лесовосстановление или восстановление торфяников), так как более эффективным растениям нужно меньше площади для того же урожая. Их главная озабоченность — готовность ли крупные ритейлеры поддерживать генетически модифицированные культуры.
Помимо PhotoBoost, ЕС финансирует другие программы по фотосинтезу: Gain4crops (подсолнечник) и Capitalise (томат, кукуруза, ячмень). Улучшение фотосинтеза — не панацея, но сочетание знаний и новых инструментов поможет максимально использовать свет.