Учёные внедрили ген морских водорослей в наземные растения для повышения урожайности

Исследователи обнаружили ген, позволяющий морским водорослям производить уникальный тип хлорофилла, и успешно внедрили его в наземное растение. Это открывает путь к повышению урожайности сельскохозяйственных культур с использованием меньших площадей.

Находка гена разрешает давнюю загадку о молекулярных путях, которые позволяют водорослям производить этот хлорофилл и выживать.

«Морские водоросли производят половину всего кислорода, которым мы дышим, даже больше, чем наземные растения. И они питают огромные пищевые цепи, включая рыб, которых поедают млекопитающие и люди», — говорит ведущий автор исследования, доцент биоинженерии Калифорнийского университета в Риверсайде Тинтин Сян.

Исследование, опубликованное в Current Biology, также впервые продемонстрировало, что наземное растение может производить «морской» хлорофилл. В эксперименте использовались растения табака, но теоретически любой наземный вид может получить этот ген водорослей, что позволит ему поглощать более широкий спектр света и лучше расти.

Хлорофилл — это пигмент, обеспечивающий фотосинтез. Растения производят хлорофилл a и b, в то время как большинство морских водорослей и ламинарий производят хлорофилл c, который позволяет им поглощать сине-зелёный свет, проникающий в толщу воды.

«Хлорофиллы b и c поглощают свет на разных длинах волн. Океан поглощает красный свет, поэтому он выглядит синим. Хлорофилл c эволюционировал, чтобы улавливать сине-зелёный свет, который проникает глубже», — поясняет Сян.

Дополнительное применение этой работы — производство биотоплива из водорослей. Некоторые виды водорослей производят хлорофилл a или b, как наземные растения. Наделение их геном для производства хлорофилла c может улучшить их способность использовать свет и ускорить рост, создавая больше сырья для топлива.

Изначально учёные изучали вид водорослей, живущих в кораллах. Эти водоросли производят сахара и делятся ими с кораллами-хозяевами. «Каждая колония кораллов состоит из тысяч полипов, и их коричневый цвет — от водорослей. Когда вы видите побелевшие кораллы, это связано с потерей водорослей», — говорит Сян.

Исследуя, как способность водорослей к фотосинтезу влияет на кораллы, учёные работали с мутантными водорослями. Эти редкие мутанты были более жёлтого цвета и не могли осуществлять фотосинтез. Неожиданно оказалось, что в кораллах эти мутанты всё ещё могли жить и расти, поскольку коралл снабжает их питанием.

В результате секвенирования ДНК нового поколения и анализа данных исследователи смогли использовать мутантов для обнаружения гена, ответственного за производство хлорофилла c. «Открытие гена хлорофилла c не было первоначальной целью нашей работы. Мы создали мутантов по другой причине, но нам просто повезло», — отмечает Сян.

Новое понимание генетической основы производства хлорофилла c даёт надежду, что эта работа в конечном итоге поможет остановить волну обесцвечивания кораллов по всему миру. Кроме того, у неё есть наземные применения, которые могут помочь адаптироваться к изменению климата.

«Определение биосинтетического пути хлорофилла c — больше, чем научное любопытство; это потенциальный прорыв для устойчивой энергетики и продовольственной безопасности», — говорит соавтор исследования, профессор химической инженерии UCR Роберт Джинкерсон.