Ученые стремятся улучшить фотосинтез для увеличения производства пищи и топлива
Две новые инициативы в Кембриджском университете направлены на решение растущей нагрузки на ресурсы Земли для производства пищи и топлива путем улучшения процесса фотосинтеза.
Ученые получили основную часть финансирования в размере $4 млн в рамках нового сотрудничества, направленного на улучшение процесса фотосинтеза. Этот процесс позволяет биологическим системам преобразовывать солнечный свет в пищу и также является источником ископаемого топлива.
Четыре транснациональные исследовательские группы, две из которых включают ученых из Департамента наук о растениях Кембриджа, будут изучать способы преодоления ограничений фотосинтеза. Это может привести к значительному увеличению урожайности важных продовольственных культур или сырья для устойчивой биоэнергетики.
Профессор Ховард Гриффитс заявил: «Растения действительно важны. Для следующего поколения продуктивность растений и микробов станет фокусом ключевых глобальных проблем: основа для пропитания дополнительных 2–3 миллиардов ртов, движущая сила экономики, в настоящее время работающей на прошлом солнечном свете, и поддержание биоразнообразия перед лицом изменения климата».
Финансирование было присуждено британским Советом по исследованиям в области биотехнологии и биологических наук (BBSRC) и американским Национальным научным фондом (NSF). Это новаторское начинание объединяет лучшие умы из США и Великобритании для изучения данной темы.
Несмотря на то что фотосинтез является основой захвата энергии солнца у растений, водорослей и других организмов, у него есть фундаментальные ограничения. Компромиссы в природе означают, что фотосинтез не так эффективен, как мог бы быть. Для многих важных культур, таких как пшеница, ячмень, картофель и сахарная свекла, теоретический максимум составляет лишь 5% (в зависимости от метода измерения). Существует возможность улучшить его для полезных нам процессов, например, увеличив количество продовольственной культуры или биомассы для энергии, которое растение может произвести из того же количества солнечного света.
Часть исследований будет сосредоточена на улучшении реакции, катализируемой ферментом Rubisco, который является общепризнанным «узким местом» в пути фотосинтеза. Попытка переноса элементов из водорослей и бактерий в растения может обогатить среду вокруг Rubisco в клетках растений углекислым газом. Это позволит фотосинтезу производить сахара более эффективно.
Профессор Гриффитс добавил: «Ферментативная электростанция Rubisco захватывает диоксид углерода из атмосферы и использует световую энергию для производства сахаров и других строительных блоков жизни. Однако этот фермент довольно несовершенен и несколько «неразборчив»: он взаимодействует с кислородом так же, как и с CO2, в ущерб потенциальной продуктивности растения.
Некоторые растения развили механизмы, действующие как биологические турбонагнетатели, для концентрации CO2 вокруг Rubisco и повышения эффективности работы фермента. Эти механизмы концентрации углерода эволюционировали у некоторых ключевых культур, таких как сахарный тростник и кукуруза. Другие растения, например водоросли, параллельно развили механизмы активной концентрации бикарбоната как источника CO2 для Rubisco».
Исследовательские проекты были профинансированы BBSRC и NSF после междисциплинарного рабочего совещания, проведенного фондами в Калифорнии в сентябре 2010 года. Это «Лаборатория идей» позволила ученым из разных дисциплин и учреждений Великобритании и США изучить идеи и потенциальные проекты перед подачей заявок.
Профессор Гриффитс, руководитель консорциума по одному из финансируемых совместных предложений, сравнил этот опыт с комбинацией «Большого брата», «Слабого звена» и «Кандидата». Его проект будет исследовать работу механизма концентрации углерода у водорослей и возможность внедрения его компонентов в клетки высших растений.
Доктор Джулиан Хибберд участвует в другой инициативе, которая стремится повысить эффективность улавливания света за счет расширения спектра длин волн (как у бактерий) для питания биофизических транспортных процессов у высших растений.
Эти исследования укрепят крупную инициативу в области наук о растениях в Кембридже, изучающую пути улучшения фотосинтеза с точки зрения устойчивой продуктивности растений и урожайности культур в будущем. Дополнительная работа доктора Хибберда также направлена на исследование потенциального внедрения признаков C4-фотосинтеза в такие культуры, как рис. Эта программа является частью более широкого спекстра стратегических исследований, связанных с устойчивым развитием сельского хозяйства, включая RNAi, подавление патогенов и эпидемиологический контроль для сохранения урожайности в условиях меняющегося климата.