Как быстрорастущие водоросли могут ускорить рост сельскохозяйственных культур
Новое исследование предлагает стратегию для ускорения роста сельскохозяйственных культур, заимствуя механизм у быстрорастущего вида зелёных водорослей Chlamydomonas reinhardtii. Эти водоросли содержат органеллу — пиреноид, которая ускоряет превращение поглощённого из воздуха углерода в форму, пригодную для роста организма. В исследовании, опубликованном 19 мая 2022 года в журнале Nature Plants, учёные из Принстонского и Северо-Западного университетов с помощью молекулярного моделирования определили ключевые особенности пиреноида, ответственные за усиление фиксации углерода, и наметили путь для внедрения этой функции в культурные растения.
Проблема и потенциал
Современные технологии земледелия (ирригация, удобрения, селекция) практически исчерпали свой потенциал для значительного увеличения урожайности. При этом продовольственная безопасность под угрозой из-за роста населения и изменения климата. Инновацией может стать способность водорослей концентрировать углерод. Внедрение аналогичного механизма в пшеницу и рис способно резко ускорить их рост.
Как работает пиреноид
И водоросли, и наземные растения используют для фиксации углерода фермент Rubisco. Однако у большинства растений Rubisco работает лишь на треть от теоретической мощности из-за нехватки CO2. В пиреноиде Chlamydomonas reinhardtii Rubisco образует сферическую матрицу, пронизанную мембранными трубочками (тубулами) и окружённую крахмальной оболочкой. Считалось, что CO2 из среды превращается в бикарбонат, транспортируется в тубулы, там снова преобразуется в CO2, который затем диффундирует к Rubisco.
Ключевое открытие модели
Вычислительная модель, созданная аспирантом Чэньи Фэй и студенткой Александрой Уилсон, показала, что эта классическая схема не работает: CO2 быстро утекал бы из пиреноида, не успевая быть использованным Rubisco. Модель продемонстрировала, что крахмальная оболочка действует как барьер для диффузии, улавливая CO2 внутри пиреноида вместе с Rubisco.
Значение для биоинженерии
Модель не только выявила этот необходимый барьер, но и определила другие ключевые белки и структурные особенности для концентрации CO2, а также компоненты, без которых можно обойтись. Это упрощает задачу по внедрению функции пиреноида в растения. Важно, что, согласно модели, для этого механизма может не потребоваться активный транспорт бикарбоната — что было главным техническим препятствием.
Заключение
Как отметил старший автор Мартин Йоникас, работа даёт чёткие указания для инженерии механизма концентрирования углерода в растениях, включая основные сельскохозяйственные культуры. Алистер Маккормик из Эдинбургского университета назвал новую модель «меняющей правила игры».