Белки водорослей могут значительно повысить урожайность сельхозкультур

Урожайность важнейших продовольственных культур, таких как рис, пшеница и соя, можно повысить, снабдив растения белками из водорослей для улучшения их роста.

Этот подход может увеличить урожайность до 60% и сделать культуры более устойчивыми к последствиям изменения климата. Это поможет накормить растущее население планеты, позволяя производить больше пищи с той же площади и помогая растениям процветать в плохих условиях, включая засуху.

Техника улучшает фотосинтез — сложный процесс, который растения используют для преобразования солнечного света и углекислого газа (CO₂) в энергию для роста.

Исследователи из Эдинбургского университета стремились улучшить рост растений, используя генетические манипуляции для повышения эффективности фотосинтеза. У растений ключевой фермент фотосинтеза, известный как Rubisco, неэффективен. Предыдущие исследования показали, что Rubisco обычно работает лишь на половину своего потенциала по захвату и преобразованию CO₂.

Чтобы решить эту проблему, команда вдохновилась водорослями — крошечными одноклеточными фотосинтетическими электростанциями, живущими в океанах и других водоемах, где CO₂ мало. Водоросли повышают эффективность фотосинтеза с помощью специализированного механизма концентрирования CO₂, связанного с их хлоропластами — центрами фотосинтеза внутри всех растительных и водорослевых клеток.

Водоросли эволюционировали, создав особую жидкоподобную фотосинтетическую структуру, известную как пиреноид, которая заливает ферменты Rubisco в хлоропласте концентрированным запасом CO₂.

Команда воссоздала эту пиреноидоподобную структуру внутри растительных хлоропластов, слегка модифицировав фермент Rubisco в растениях, чтобы он вел себя больше как Rubisco водорослей. Затем они добавили белок, известный как EPYC1, который является жизненно важной частью механизма концентрирования CO₂ у водорослей и действует как молекулярный клей, связывающий несколько ферментов Rubisco вместе в пиреноиде.

Это достижение знаменует собой важный шаг вперед в повышении эффективности фотосинтеза с помощью стратегии, которая, по прогнозам, значительно ускорит рост растений. Подобные прошлые попытки улучшить фотосинтез требовали существенных изменений Rubisco — фермента, сложного для инженерии в растениях.

Результаты на модельном виде растений Arabidopsis показали, что пиреноидоподобные структуры могут быть успешно интегрированы внутрь хлоропластов, не препятствуя росту растения. Этот подход также может сделать культуры более устойчивыми к изменению климата и сократить использование удобрений, поскольку он снижает потерю воды листьями и позволяет растениям использовать удобрения более эффективно.

Следующим шагом станет внедрение механизма накачки CO₂ для снабжения пиреноида, содержащего Rubisco, концентрированным запасом CO₂.

Исследование, опубликованное в Nature Communications, финансировалось Советом по биотехнологическим и биологическим исследованиям UK Research and Innovation и Leverhulme Trust. Работа проводилась в сотрудничестве с Университетом Иллинойса в Урбане-Шампейне.

«Пиреноид — это увлекательная жидкоподобная компартмента, которая помогает сделать фотосинтез водорослей очень эффективным. Этот год принес несколько захватывающих прорывов в нашем понимании того, как собираются пиреноиды, и в нашей способности создавать их в растениях, что может привести к значительному увеличению захвата CO₂ и роста сельскохозяйственных культур».

Доктор Алистер Маккормик, преподаватель молекулярной физиологии и синтетической биологии растений, Эдинбургский университет.