Учёные создали растения с удвоенной способностью поглощать CO₂ и производить больше семян и липидов

Обычно растения используют цикл Кальвина-Бенсона-Бэссема (CBB) для превращения атмосферного CO₂ в органические вещества для роста. Хотя это основной путь фиксации углерода, он неэффективен — теряет треть углерода при синтезе ацетил-кофермента A (CoA) для производства липидов, фитогормонов и метаболитов. Дополнительные потери происходят при фотодыхании, что ограничивает рост. Это во многом связано с неэффективностью фермента RuBisCO.

В новой работе, опубликованной в Science, учёные предложили принципиально новый подход — создание дополнительного пути фиксации углерода.

Исследователи внедрили в растение Arabidopsis thaliana синтетический цикл поглощения CO₂, названный малонил-CoA-глицератным (McG) циклом. Он работает совместно с циклом CBB, создавая систему двойной фиксации CO₂. Новый цикл повышает эффективность, используя ранее теряемый углерод.

"В цикле McG фиксируется один дополнительный атом углерода, когда на входе 3PG, или не теряется углерод, когда на входе гликолят. В обоих случаях ацетил-CoA производится эффективнее, что, как ожидается, усилит производство липидов и других важных метаболитов, включая фитогормоны", — пишут авторы.

Для тестирования цикла McG команда экспрессировала шесть гетерологичных ферментов в хлоропластах Arabidopsis. Результаты были впечатляющими:

• Растения с циклом McG вырастали крупнее (сухая масса — до трёх раз больше).
• Увеличивалось количество листьев и семян.
• Повышалось содержание липидов по сравнению с дикими родственниками.
• Количество триглицеридов у McG-растений было до 100 раз выше нормы. Содержание липидов было настолько высоким, что в клетках растений образовывались специальные карманы для хранения избытка жиров.

Цикл McG повысил эффективность, уменьшив потери CO₂ при фотодыхании и усилив производство ацетил-CoA. В итоге скорость ассимиляции CO₂ увеличилась примерно вдвое.

Несмотря на многообещающие результаты, последствия таких изменений ещё неясны. Исследователи отмечают, что эффекты цикла McG в этом эксперименте "не обязательно переносимы на сельскохозяйственные культуры", а сверхэкспрессия гетерологичных генов может "замолкать" в последующих поколениях. Также возможно, что повышенное поглощение углерода будет временным, так как углерод может высвобождаться после гибели растений. Долгосрочная стабильность и экологическое воздействие модификации McG также неизвестны.

Тем не менее, дальнейшие исследования могут привести к увеличению урожайности культур и производства масел для пищи и биотоплива, а также способствовать секвестрации углерода и смягчению последствий изменения климата за счёт усиленного роста растений.