Роль Rubisco в продовольственной и энергетической безопасности

По мере роста мирового спроса на продовольствие и энергию исследователи изучают различные стратегии повышения урожайности сельскохозяйственных культур. Пока создание более эффективных растительных ферментов и биохимических путей остается преобразующей целью, этот обзор освещает другой многообещающий подход: увеличение содержания Rubisco.

Rubisco — это растительный фермент, который захватывает атмосферный CO₂ и превращает его в органические соединения, что делает его ответственным за рост растений и производство пищи в процессе фотосинтеза. Увеличение количества Rubisco может дополнить существующие усилия, предлагая более быстрый способ повышения урожайности, пока ведутся исследования более сложных инноваций.

«Нас интересует оптимизация фотосинтеза для улучшения продовольственной и энергетической безопасности, — говорит постдокторант лаборатории Лонга Корали Саллес-Смит. — Эта статья освещает альтернативный способ увеличения фотосинтеза за счет повышения содержания Rubisco. Мы надеемся, что этот обзор вдохновит на новые захватывающие исследования и сельскохозяйственные применения».

Вместе с соавторами Стивом Лонгом и Юй Ван Саллес-Смит недавно опубликовала обзор Tansley Review об улучшении сельскохозяйственных культур за счет увеличения Rubisco в журнале New Phytologist.

Обзор команды специально исследовал потенциальное влияние на урожайность и использование азота, основываясь на их текущей работе для Центра инноваций в области передовой биоинженерии и биопродуктов.

«Rubisco является ключевым ограничителем фотосинтеза как у C3, так и у C4 культур, и так будет продолжаться, — подчеркивает Саллес-Смит. — Нацеливание на него как на подход к улучшению фотосинтеза имеет практическую ценность, особенно в краткосрочной перспективе».

Факторы окружающей среды также играют значительную роль. Увеличение Rubisco может быть особенно полезным в условиях, снижающих концентрацию CO₂ внутри хлоропластов, включая засуху или тепловой стресс, которые участились в последние годы из-за изменения климата. Уровни CO₂ также растут. Улучшенные культуры с увеличенным Rubisco смогут лучше использовать этот дополнительный углерод для роста.

Хотя увеличение содержания Rubisco может дать преимущества раньше других стратегий, в конечном итоге потребуются более масштабные улучшения. Дальнейший путь может потребовать сочетания модификаций Rubisco с дополнительными стратегиями, направленными на конкретные стрессоры, для максимальной эффективности.

Используя такие инструменты, как CRISPR/Cas, исследователи могут вносить генетические изменения, которые могли бы быть достигнуты естественным отбором или традиционной селекцией, но более быстрым и целенаправленным способом. Это позволяет тонко настраивать собственные гены, оптимизируя не только Rubisco, но и решая другие критические факторы, такие как устойчивость к стрессу и эффективность использования ресурсов.

«Без этих инноваций продовольственная безопасность в будущем станет более острой проблемой, — говорит Саллес-Смит. — Важно внедрить улучшенные сорта сельскохозяйственных культур в поля до того, как будет слишком поздно».

Авторы подчеркивают как краткосрочные выгоды, достижимые за счет увеличения содержания Rubisco, так и долгосрочные перспективы создания более эффективного фермента.

«Улучшение фотосинтеза — многообещающий путь, — считает Саллес-Смит. — Я думаю, что улучшение фотосинтеза, и Rubisco в частности, будет важным способом справиться с продовольственным спросом в будущем».