Биологи получили растения с усовершенствованным фотосинтезом

И человечество, и практически вся жизнь на Земле опирается на фотосинтез – проводимую растениями, цианобактериями и некоторыми другими организмами серию реакций, в ходе которых энергия солнечного света используется для синтеза органических молекул из воды и углекислого газа. Первый шаг этого процесса – фиксация СО₂ из атмосферы, и проводит его фермент рибулозобисфосфаткарбоксилаза (Рубиско), который катализирует взаимодействие углекислого газа с пятиуглеродной молекулой сахара, с образованием двух трехуглеродных молекул, которые вовлекаются в дельнейший метаболизм.

Рубиско встречается в листьях всех растений и считается едва ли не самым распространенным ферментом на планете, – но далеко не самым эффективным. Белок то и дело «ошибается» и вместо углекислого газа связывает кислород, что ведет к появлению не столь важных для клетки побочных продуктов, таких как фосфат гликолевой кислоты (ФГК). Эти молекулы утилизируются, однако с трудом и не всегда с нужной скоростью, а накапливаясь, они способны нарушить нормальное течение фотосинтеза. В результате снижается продуктивность растения – например, рис, по разным оценкам, мог бы давать от 20 до 50 процентов больше урожая, если бы Рубиско работал с большей точностью.

Этой задачей и занялись ученые из группы профессора Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне Дональда Орта (Donald Ort). В статье, опубликованной в журнале Science, они описывают эксперименты по замещению естественных путей утилизации побочных продуктов реакции Рубиско с кислородом новыми, более эффективными. В норме они требуют целых девяти реакций, однако альтернативные варианты позволяют проводить нужные превращения за меньшее число шагов. Авторы новой работы сумели уложиться всего в два, используя ферменты, гены которых были позаимствованы у тыквы и одноклеточных водорослей и превращают ФГК в яблочную кислоту, которая легко утилизируется клетками растений.

Чтобы оценить эффективность новой системы метаболизма ФГК, Орт и его коллеги внесли ее (а также два альтернативных варианта утилизации ФГК, предложенных ранее) в геном табака. Растения выращивались в теплицах, а ученые следили за изменениями в их производительности. Обнаружилось, что ранее предложенные варианты «усовершенствования» первых шагов фотосинтеза не слишком эффективны и дают максимум 15-процентный прирост сухой массы растений. Однако новый, двухэтапный путь позволил увеличить ее в среднем на 25 процентов – а в некоторых случаях и на 40.

«Так же как Панамский канал стал инженерным проектом, который позволил повысить эффективность торговых путей, улучшение фотореспираторных путей – проект из области инженерии растений, который позволит существенно повысить эффективность фотосинтеза», – сказал, комментируя работу, Стивен Лонг (Stephen Long), глава исследований RIPE (Realizing Increased Photosynthetic Efficiency, «Реализация фотосинтеза повышенной продуктивности»).

Этот масштабный международный проект воплощается при поддержке государственных и неправительственных фондов, целью его является выведение новых сортов растений, способных к более эффективному фотосинтезу. Достижение ученых из Иллинойса стало большим шагом на пути к этой цели: по словам Дональда Орта, дополнительные калории, которые благодаря их «усовершенствованию» могли бы дать растения, позволили бы одним лишь фермерам американского Среднего Запада кормить на 200 млн человек больше.

Закладка

Скопировать ссылку

Email

Печать

Twitter

VK

Telegram