Исправление фотосинтетической неэффективности

В некоторых из наших наиболее полезных культур (таких как рис и пшеница) в процессе фотосинтеза образуются токсичные побочные продукты, которые снижают его эффективность. Фотодыхание имеет дело с этими побочными продуктами, превращая их в метаболически полезные компоненты, но за счет потери энергии. South et al. построил метаболический путь в трансгенных растениях табака, который более эффективно восстанавливает непродуктивные побочные продукты фотосинтеза с меньшими потерями энергии (см. Перспективу Эйзенхута и Вебера). В полевых испытаниях эти трансгенные растения табака были на 40% более продуктивными, чем растения табака дикого типа.

Удовлетворение потребностей в продовольствии для растущего населения Земли требует повышения урожайности, и возможны значительные выгоды за счет повышения эффективности фотосинтеза. Фотосинтез требует карбоксилирования рибулозо-1,5-бисфосфата (RuBP) с помощью рибулозо-1,5-бисфосфаткарбоксилазооксигеназы (RuBisCO), но фотодыхание происходит у большинства растений, таких как соя, рис и пшеница (известные как культуры C 3). ) когда RuBisCO окисляет RuBP вместо этого, требуя дорогостоящей переработки токсичных побочных продуктов, таких как гликолят. Фотодыхание может уменьшить C 3эффективность фотосинтеза урожая на 20-50%. Хотя существуют различные стратегии для снижения стоимости фотодыхания, комнатные и парниковые растения с измененными фотореспираторными путями в хлоропласте показали многообещающие результаты, включая увеличение скорости фотосинтеза и размера растения.

ОБОСНОВАНИЕ

Чтобы определить, могут ли альтернативные фотореспираторные пути эффективно улучшить продуктивность полевых культур C 3 , мы проверили эффективность трех альтернативных фотореспираторных путей в выращенном в полевых условиях табаке. В одном пути использовали пять генов из пути окисления гликолата Escherichia coli ; во втором пути использовали гликолатоксидазу и малатсинтазу из растений и каталазу из E.coli; и в третьем пути использовали растительную малат-синтазу и глиголатдегидрогеназу зеленого водоросля. Все ферменты в альтернативных конструкциях пути были направлены на хлоропласт. РНК-интерференция (RNAi) также использовалась для подавления нативного переносчика гликополата хлоропласта в пути фотореспирации, тем самым ограничивая поток метаболитов через нативный путь. Три пути были введены с и без конструкции транспортера РНКи в табак, который является идеальной модельной полевой культурой, потому что он легко трансформируется, имеет короткий жизненный цикл, производит большие количества семян и имеет прочный навес, похожий на другие полевые культуры.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Используя синтетический биологический подход для варьирования комбинаций промоторных генов, мы создали в общей сложности 17 конструкций конструкций трех путей с конструкцией транспортерной РНКи и без нее. Первоначальные экраны для фотозащиты с помощью альтернативной функции пути в условиях высокого фотореспираторного стресса идентифицировали от трех до пяти независимых трансформантов каждой конструкции для дальнейшего анализа. Анализ экспрессии генов и белков подтвердил экспрессию введенных генов и подавление нативного транспортера в растениях RNAi. На экранах теплиц путь 1 увеличивал биомассу почти на 13%. Путь 2 не показал никакой пользы по сравнению с диким типом. Введение пути 3 увеличивало биомассу на 18% без РНКи и на 24% с РНКи, что соответствовало изменениям в фотореспираторном метаболизме и более высокой скорости фотосинтеза. В конечном счете, Полевые испытания в течение двух разных вегетационных периодов показали> 25% увеличение биомассы растений пути 3 по сравнению с диким типом, а при увеличении продуктивности РНКи> 40%. Кроме того, этот путь увеличил эффективность использования фотосинтеза на свету на 17% в полевых условиях.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Создание более эффективных путей дыхания в табаке при одновременном подавлении нативного пути заметно увеличило как эффективность фотосинтеза, так и растительную биомассу. Мы надеемся, что подобный прирост может быть достигнут и преобразован в повышение урожайности зерновых культур C 3, поскольку фотодыхание является общим для всех растений C 3 и более высокие скорости фотосинтеза при повышенном содержании CO 2 , что подавляет фотодыхание и увеличивает урожайность у культур C 3 .

Фотосинтез требуется в растениях C 3 для метаболизма токсического гликолата, образующегося при оксигенатах рибулозо-1,5-бисфосфат-карбоксилаза-оксигеназы, а не карбоксилатов рибулозо-1,5-бисфосфата. В зависимости от растущих температур, фотодыхание может снизить урожайность от 20 до 50% в С 3культур. Вдохновленные предыдущей работой, мы установили в табачные хлоропласты метаболические пути синтетического гликолата, которые, как считается, более эффективны, чем нативный путь. Поток через пути синтеза был увеличен путем ингибирования экспорта гликолата из хлоропласта. Протестированные пути синтеза улучшили квантовый выход фотосинтеза на 20%. Многочисленные гомозиготные трансгенные линии увеличивали продуктивность биомассы на> 40% в реплицированных полевых испытаниях. Эти результаты показывают, что внедрение альтернативных метаболических путей гликолата в хлоропласты сельскохозяйственных культур при одновременном подавлении экспорта гликолата в природный путь может стимулировать увеличение урожайности C 3 в сельскохозяйственных полевых условиях.