Увеличение массы картофеля на 30% в условиях жары благодаря обходу фотодыхания

Команда из Университета Иллинойса создала картофель, более устойчивый к глобальному потеплению. В полевых испытаниях во время волны жары масса клубней генетически модифицированных растений была на 30% больше, чем у контрольной группы. Эта адаптация может повысить продовольственную безопасность в регионах, зависящих от картофеля.

«Нам нужны культуры, которые могут выдерживать более частые и интенсивные волны жары, если мы хотим удовлетворить потребности населения в продовольствии в регионах, наиболее подверженных риску снижения урожайности из-за глобального потепления», — заявила Кэтрин Мичем-Хенсольд, руководитель проекта RIPE.

Проблема: энергозатратное фотодыхание

Фотодыхание — это процесс, который может снижать урожайность сои, риса и овощных культур до 40%. Он происходит, когда фермент Rubisco реагирует с молекулой кислорода вместо CO₂. В идеальных условиях это происходит примерно в 25% случаев, но при высоких температурах — значительно чаще.

Растение вынуждено тратить много энергии на обезвреживание токсичного побочного продукта фотодыхания — гликолата. Эта энергия могла бы быть направлена на рост.

«Фотодыхание — это большие энергетические затраты для растения. Оно отнимает энергию у производства пищи», — пояснила Мичем-Хенсольд.

Решение: обходной путь в хлоропласте

Ранее команда проекта RIPE показала, что добавление двух новых генов — гликолатдегидрогеназы и малатсинтазы — позволяет растениям метаболизировать гликолат непосредственно в хлоропласте (где происходит фотосинтез), минуя сложный естественный путь. Это экономит энергию.

В 2022 году, во время полевых испытаний, через три недели после посадки картофеля началась волна жары: температура держалась выше 35°C четыре дня подряд, дважды превышая 38°C. Генетически модифицированные растения не только выстояли, но и, используя повышенную термотолерантность фотосинтеза, сформировали на 30% больше клубней, чем контрольная группа.

«Важно, что наша генная инженерия фотосинтеза, которая привела к увеличению урожая, не повлияла на питательную ценность картофеля», — отметил Дон Орт, заместитель директора проекта RIPE.

Для подтверждения результатов необходимы испытания в разных условиях, но обнадеживающие данные по картофелю предполагают, что аналогичный подход может сработать для других клубневых культур, например, маниоки — основного продукта питания в странах Африки к югу от Сахары.