Техно

Голода больше не будет: ученым удалось вдвое повысить урожайность

Фермент водорослей заставил растения максимально эффективно конвертировать углекислоту в сахар

Фото: agro-agent.ru

Как известно, с помощью фотосинтеза растения конвертируют солнечный свет, воду и воздух в энергию и пищу. Международная команда ученых из США и Великобритании сумела ускорить этот процесс путем применения ферментов сине-зеленых водорослей. Результаты исследований опубликованы в журнале Nature. 

В течение многих лет биологи и генетики всего мира искали возможности улучшения фотосинтеза, в основном за счет активности фермента под названием RuBisCo (рибулозобисфосфаткарбоксилаза/оксигеназа) - белка, который конвертирует CO2 в сахар. Это самый распространенный фермент на нашей планете, который содержится во всех зеленых листьях. Проблема состоит в том, что RuBisCo часто захватывает кислород, а не углекислый газ, что замедляет весь процесс фотосинтеза. Ученые называют RuBisCo "наиболее некомпетентным ферментом в мире" и "одним не из лучших стимулов эволюции". Они установили, что повысив на 40% его эффективность, можно как минимум вдвое увеличить урожайность. Кроме того, это также "высосет" большое количество углекислого газа из атмосферы.

Впервые мы получили растение, созданное генетической инженерией, в котором исправлена работа с углеродом за счет фермента цианобактерии

Есть растения, которые поглощают углекслый газ максимально интенсивно, например, Например, цианобактерии - сине-зеленые водоросли, способны эффективно поглощать углекислоту, благодаря умению управлять движением своих "внутренних органов", усваивающих СО2. Поэтому цианобактерии играют важнейшую роль в глобальном углеродном цикле - на их долю приходится около 40% из общего объема поглощаемой углекислоты. Этот процесс требует присутствия в сине-зеленых водорослях органелл под названием карбоксисомы, которые содержат ферменты, перерабатывающие СО2. Принимая во внимание уникальные способности сине-зеленых бактерий, ученые давно пытаются скрестить их для ускорения процессов фотосинтеза, но до сих пор никому не удалось добиться в этом успеха.

Генетики растений из Корнельского университета в Итаке под руководством Морин Хэнсон и их коллеги из британской лаборатории Rothamsted Research в Гарпендене, возглавляемые физиологом растений Мартином Перри, взяли белок RuBisCo из цианобактерии Synechococcus elongatus. Затем они встроили ген RuBisCo в геном хлоропласта (органеллы клетки, где происходит фотосинтез), табачного растения Nicotianatabacum - широко используемого для исследований генетической инженерии. И тут обнаружилось, что эти растения смогли преобразовывать CO2 в сахар значительно быстрее, чем нормальный табак, что означало, что фотосинтез действительно ускорился. "Впервые мы получили растение, созданное генетической инженерией, в котором исправлена работа с углеродом за счет фермента цианобактерии", - говорит Морин Хэнсон. "Это очень важный шаг в создании растений с более эффективным фотосинтезом".

Таким образом, американско-британской команде ученых удалось сделать то, что раньше не удавалось другим генетикам. Секрет успеха состоит в том, что они заменили один ген RuBisCo в табаке не одним, а двумя генами из цианобактерии. Хенсон рассказывает, что именно это и помогло табачному растению научиться утилизировать фермент более эффективно.

Ученые называют RuBisCo "наиболее некомпетентным ферментом в мире" и "одним не из лучших стимулов эволюции". Они установили, что повысив на 40% его эффективность, можно как минимум вдвое увеличить урожайность

То же самое можно проделать и с другими растениями. Специалисты уверены, что если RuBisCo сине-зеленой водоросли встроить в семена, это приведет к значительному увеличению урожайности культур. Кроме того, можно было бы уменьшить количество потребляемых удобрений и освободить большое количество сельскохозяйственных земель. 

В случае успешного завершения тестов, открытие поможет человечеству решить глобальную проблему - накормить растущее население планеты. Согласно докладу ООН, опубликованному в начале сентября, около 805 миллионов человек или каждый девятый житель планеты сейчас страдает от голода. Так, в Африке к югу от Сахары каждый четвертый хронически недоедает, тогда как в Азии, самом густонаселенном регионе мира, проживает большинство голодающих - 526 миллионов человек. Причем с ежегодным увеличением населения, особенно в развивающихся странах, ситуация усугубляется.