Чтобы прокормить к 2050 году прогнозируемые 9 миллиардов человек, фермерам необходимо выращивать на 50% больше продуктов питания на ограниченном количестве пахотных земель. В результате ученые-растениеводы соревнуются со временем, пытаясь создать более урожайные культуры за счет улучшения фотосинтеза.
Сине-зеленые водоросли (цианобактерии), как известно, фотосинтезируют более эффективно, чем большинство сельскохозяйственных культур, поэтому исследователи работают над внесением элементов цианобактерий в культурные растения.
Новое исследование, проведенное под руководством Корнельского университета, описывает значительный шаг к достижению этой цели. «Отсутствие карбоангидразы в хлоропластах влияет на развитие растений C3, но не на фотосинтез», — опубликовано 11 августа в Трудах Национальной академии наук .
Морин Хэнсон, профессор молекулярной биологии растений, является старшим автором статьи. Кевин Хайнс, бывший студент лаборатории Хэнсона, и Вишал Чаудхари, научный сотрудник лаборатории Хэнсона, являются соавторами.
Когда растения фотосинтезируют, они превращают углекислый газ , воду и свет в кислород и сахарозу, сахар, используемый для получения энергии и построения новых тканей. Во время этого процесса Rubisco, фермент, присутствующий во всех растениях, забирает неорганический углерод из воздуха и «фиксирует» или преобразует его в органическую форму, которую растение использует для создания тканей.
Одним из препятствий на пути улучшения фотосинтеза сельскохозяйственных культур является то, что Рубиско реагирует как с углекислым газом, так и с кислородом воздуха; последняя реакция создает токсичные побочные продукты, замедляет фотосинтез и тем самым снижает урожайность. Но у цианобактерий Рубиско содержится в микрокомпартментах, называемых карбоксисомами, которые защищают Рубиско от кислорода.
Карбоксисома дополнительно позволяет цианобактериям концентрировать углекислый газ, поэтому Рубиско может использовать его для более быстрой фиксации углерода, сказал Хэнсон. «У сельскохозяйственных культур нет карбоксисом, поэтому идея состоит в том, чтобы в конечном итоге задействовать весь механизм концентрации углерода цианобактерий в сельскохозяйственных культурах», — добавила она.
Чтобы спроектировать эту систему для работы на сельскохозяйственных культурах, ученые должны удалить карбоангидразу, естественный фермент, из хлоропластов, органелл в растительных клетках, где происходит фотосинтез. Это потому, что роль ангидразы заключается в создании равновесия между CO 2 и бикарбонатом в клетках растений, катализируя реакции, в которых CO 2 и вода образуют бикарбонат, и наоборот. Но для того, чтобы механизм концентрации углерода цианобактерий работал в сельскохозяйственных культурах , уровень бикарбоната в системе должен достигать уровней, во много раз превышающих уровни, обнаруженные в равновесии.
«Итак, в этом исследовании, — сказал Хэнсон, — мы выполнили тот шаг [удаления ангидразы], который понадобится для работы карбоксисом».
В статье авторы описывают использование технологии редактирования генов CRISPR / Cas9 для отключения генов, которые экспрессируют два фермента карбоангидразы, присутствующие в хлоропластах. В прошлом другая исследовательская группа использовала другой метод, чтобы удалить 99% активности фермента ангидразы, и растения росли нормально. Но когда Хэнсон и его коллеги удалили 100% активности фермента, растения почти не росли. «Исследование показало, что растениям нужен этот фермент для производства бикарбоната, который используется в путях образования компонентов ткани листа», — сказал Хэнсон.
Когда они поместили растения в камеру для выращивания с высоким содержанием CO 2 , они возобновили нормальный рост, поскольку высокие количества CO 2 привели к спонтанной реакции с образованием бикарбоната.
Команда считает, что у них есть обходной путь для удаления ангидразы при сохранении достаточного количества бикарбоната. В будущих исследованиях, недавно финансируемых трехлетним грантом Национального научного фонда на сумму около 800000 долларов, они планируют установить переносчик бикарбоната на хлоропластную мембрану, чтобы импортировать бикарбонат из других частей клетки в хлоропласты. Ожидается, что дополнительный бикарбонат не только сделает ненужным ангидразу, но и улучшит фотосинтез еще до того, как карбоксисомы можно будет преобразовать в хлоропласты.
Эксперименты показали, что отсутствие карбоангидразы не мешает фотосинтезу, что противоречит ранее существовавшим представлениям.
Потенциальная проблема заключается в том, что карбоангидраза, обнаруженная в хлоропластах, как известно, участвует в защитных путях растений. Однако исследователи из группы Хэнсона обнаружили, что они могут включать ферментативно неактивную версию карбоангидразы и при этом поддерживать защиту растения.
«Теперь мы знаем, что можем создать неактивный фермент, который не повлияет на наш механизм концентрирования углерода, но по-прежнему позволит культурным растениям быть устойчивыми к вирусам», — сказал Хэнсон.
