Маленькие растения раскрывают большой потенциал для повышения эффективности сельхозкультур

Ученые давно ищут способы помочь растениям превращать больше углекислого газа (CO₂) в биомассу, что может повысить урожайность и даже помочь в борьбе с изменением климата. Недавние исследования показывают, что ключ может скрываться в группе уникальных, часто упускаемых из виду растений — печёночных мхах, или антоцеротовых.

«Антоцеротовые обладают замечательной способностью, уникальной среди наземных растений: у них есть естественный турбонаддув для фотосинтеза», — говорит Таннер Робисон, аспирант Института Бойса Томпсона (BTI) и первый автор статьи, недавно опубликованной в Nature Plants. «Эта особая черта, называемая механизмом концентрирования CO₂, помогает им фотосинтезировать эффективнее, чем большинству других растений, включая наши жизненно важные продовольственные культуры».

В основе этого механизма лежит структура под названием пиреноид, которая действует как микроскопическая камера для концентрации CO₂ внутри клеток растения. Пиреноид — это жидкоподобный компартмент, заполненный ферментом Рубиско, который захватывает CO₂ и превращает его в сахар в процессе фотосинтеза. Вокруг пиреноида расположены специализированные каналы и ферменты, которые накачивают CO₂, насыщая Рубиско его ключевым сырьём.

«Этот механизм концентрирования CO₂ даёт антоцеротовым значительное преимущество», — говорит Лора Ганн, доцент Корнеллского университета. «Рубиско — печально известный неэффективный фермент, поэтому большинство растений тратят много энергии, справляясь с его тенденцией также реагировать с кислородом. Но, концентрируя CO₂ вокруг Рубиско, антоцеротовые могут максимизировать его эффективность и минимизировать этот расточительный процесс "фотореспирации"».

Используя передовые методы визуализации и генетический анализ, исследовательская группа обнаружила, что антоцеротовые, вероятно, используют гораздо более простую систему для концентрации CO₂. В отличие от водорослей, которым нужен сложный механизм для накачки CO₂ в свои клетки, антоцеротовые, вероятно, используют пассивный подход, требующий меньше движущихся частей.

«Это как найти более простую и эффективную конструкцию двигателя», — объясняет Фэй-Вей Ли, адъюнкт-профессор BTI и соавтор исследования. «Эта простота может облегчить создание аналогичных систем в других растениях, например, в основных сельскохозяйственных культурах».

Потенциальное влияние существенно. По оценкам исследовательской группы, установка аналогичного механизма концентрирования CO₂ в сельскохозяйственных культурах может повысить эффективность фотосинтеза до 60%, что приведёт к значительному увеличению урожайности без необходимости в дополнительных землях или ресурсах.

Исследование также даёт новое представление об эволюции растений. Учёные обнаружили, что механизм для концентрирования CO₂, вероятно, присутствовал у общего предка всех наземных растений, но только антоцеротовые сохранили и усовершенствовали эту способность за миллионы лет эволюции.

Перед лицом двойных проблем изменения климата и продовольственной безопасности это крошечное растение может предоставить план для значительных инноваций в сельском хозяйстве. Хотя предстоит ещё много работы, прежде чем эту природную технологию можно будет использовать в других растениях, открытие предлагает многообещающее новое направление для устойчивого сельского хозяйства.