• Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
19.04.2022
Даниил Сухинов
1
9 818

Ученые воскресили древний фермент для повышения урожайности растений

5.8

Американские исследователи проанализировали эволюцию ключевого фермента фотосинтеза — комплекса белков Рубиско. Это позволило предсказать структуру древнего предка комплекса и синтезировать его с нуля, продемонстрировав лучшую эффективность работы. Результаты исследования позволят повысить урожайность многих сельскохозяйственных культур, чтобы к 2050 году прокормить прогнозируемое девятимиллиардное население Земли.

Плантации табака на острове Суматра (Индия). Табак - одно из наиболее распространенных модельных растений в биологии. / © Kittisun, Shutterstock / Автор: Ирина Мельникова

Комплекс белков Рубиско (рибулозобисфосфаткарбоксилаза) — ключевой фермент, запускающий все процессы фотосинтеза путем связывания атмосферного углекислого газа. Механизм его работы возник более 2,5 миллиарда лет назад, еще до глобального события насыщения атмосферы Земли кислородом, известного как кислородная катастрофа. В те времена у фермента не было необходимости отличать углекислый газ от кислорода, ведь последнего в атмосфере практически не было, поэтому Рубиско был строго специфичен и связывал только молекулу СО2.

Однако по мере повышения уровня кислорода в атмосфере оказалось, что Рубиско также способен связывать и молекулу О2, из-за чего даже современные фотосинтезирующие организмы сохранили способность к фотодыханию — процессу, по сути, обратному фотосинтезу. В этом процессе потребляется кислород и производится углекислый газ, что замедляет работу Рубиско, тратит энергию и делает фотосинтез не столь эффективным. Для снижения влияния фотодыхания на эффективность фотосинтеза эволюция увеличивала специфичность Рубиско к углекислому газу, а также создавала механизмы предварительной концентрации СО2 в некоторых растениях.

За последние 20-30 миллионов лет уровень углекислого газа в атмосфере окончательно упал и не поднимался выше 300 частей на миллион вплоть до 1950-х. Фотосинтезирующие организмы приспособились к таким условиям и подстроили параметры и структуру фермента Рубиско нужным образом. Теперь же, когда менее чем за сотню лет деятельность человека повысила уровень углекислого газа до 420 частей на миллион (и продолжает это делать), у ученых возникла идея адаптации растений к новым условиям для повышения их урожайности с помощью генной инженерии.

Сотрудники Корнеллского университета (США) провели глубокий филогенетический анализ (своего рода анализ родословной или генеалогического древа) структуры белкового комплекса Рубиско в семействе пасленовых, к которым относятся многие сельскохозяйственные культуры: картофель, томат, баклажан, табак и другие. Анализ позволил предсказать структуру предкового фермента Рубиско, который, вероятно, работал в фотосинтезирующих организмах 20-50 миллионов лет назад, когда уровень углекислого газа в атмосфере мог доходить до 800 частей на миллион.

Упрощенные филогенетические деревья для двух субъединиц комплекса Рубиско. На вставке показано изменение уровня углекислого газа в атмосфере Земли за последние 25 миллионов лет (до 2000 года). Текущий уровень углекислого газа поднялся уже до 410-420 частей на миллион (ppm). / © Lin M.T., et al., Science Advances, 2022

Точнее было предсказано 98 таких предковых структур, которые затем синтезировали и определили эффективность их ферментативной работы. Для ряда предсказанных вариантов она оказалась заметно выше (до 28%), чем для обычного нынешнего Рубиско. Благодаря этому ученые определили перспективные ферменты-кандидаты, которые можно было бы внедрить методами генной инженерии в современные сельскохозяйственные культуры, сделав фотосинтез эффективнее и в итоге повысив их урожайность.

«Для следующего шага мы хотим заменить гены существующего фермента Рубиско в табаке этими предсказанными предковыми последовательностями с использованием технологии редактирования генов CRISPR, а затем изучить, как это влияет на производство биомассы. Мы, конечно, надеемся, что эксперименты покажут, что, адаптировав Рубиско к современным условиям, мы получим растения, дающие более масштабные урожаи», — подытожил профессор кафедры молекулярной биологии и генетики Корнеллского университета и старший автор работы Морин Хэнсон (Maureen Hanson).

Если предлагаемый авторами метод окажется успешным, эти эффективные предковые последовательности фермента Рубиско могут быть перенесены в такие сельскохозяйственные культуры, как томаты и картофель, а также на растения из других семейств вроде сои и риса. 

Результаты исследования опубликованы в журнале Science Advances.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Подписывайтесь на нас в Telegram, Яндекс.Новостях и VK
4 часа назад
Татьяна

Врачи давно знают, что во время каникул и праздников растет число пациентов с нарушениями работы сердца. Причина — в неумеренном пьянстве. Две группы ученых показали, как спиртное вызывает мерцательную аритмию, а также предупредили о рисках для женщин, принимающих гормональную заместительную терапию.

Позавчера, 16:02
Александр Березин

Ровно 55 лет назад США высадили людей на Луне. Почему они, а не мы? Это объясняли и неспособностью создать достаточно мощные двигатели для советской лунной ракеты, и ошибками в проектировании ракеты, и нехваткой финансирования. Все эти версии объединяет одно: они резко противоречат документам. Из них складывается совершенно иная картина проигрыша. Так что же на самом деле погубило советскую лунную программу? И отчего последствия этого удара до сих пор так больно бьют по «Роскосмосу»?

10 часов назад
Редакция Naked Science

Новый анализ настроений жителей Великобритании старше 40 лет, показал, что горожане имеют более низкий уровень благополучия, удовлетворенности социальным и материальным положением по сравнению с жителями сельской местности. Но есть нюанс.

17 июля
Игорь Байдов

Команда китайских инженеров разработала модель магнитоэлектрического генератора, способного эффективно преобразовывать энергию падающих капель в электричество. Устройство может быть полезно для районов с повышенной сезонной влажностью. Разработка ученых в теории выглядит перспективно, но вызывает некоторые вопросы. В частности, пока не ясно, можно ли найти ей практическое применение.

Позавчера, 16:02
Александр Березин

Ровно 55 лет назад США высадили людей на Луне. Почему они, а не мы? Это объясняли и неспособностью создать достаточно мощные двигатели для советской лунной ракеты, и ошибками в проектировании ракеты, и нехваткой финансирования. Все эти версии объединяет одно: они резко противоречат документам. Из них складывается совершенно иная картина проигрыша. Так что же на самом деле погубило советскую лунную программу? И отчего последствия этого удара до сих пор так больно бьют по «Роскосмосу»?

19 июля
Юлия Трепалина

Так называемый думскроллинг, или болезненное погружение в новостные ленты с преобладанием негатива, не просто вгоняет в стресс. Международная группа специалистов в области психологии и поведенческих наук выяснила, что такая манера потребления новостного контента способна провоцировать более глубокую экзистенциальную тревогу, ощущение бесцельности жизни и даже ненависть к людям.

25 июня
Игорь Байдов

Ученые из Китая и Бельгии воссоздали в лаборатории условия, существовавшие на Меркурии четыре миллиарда лет назад, и выяснили, что они были идеальными для образования слоя алмазов, который с течением времени становился лишь толще.

1 июля
Александр Березин

Необычный биологический вид, по оценке авторов новой научной работы, пригоден для заселения четвертой планеты без каких-либо предварительных условий — уже в том виде, в котором он существует сейчас. Поскольку речь идет о фотосинтетическом организме, он способен нарабатывать существенное количество кислорода. Интересно, что кандидат на терраформирование Марса сохранил жизнеспособность после месяца в жидком азоте.

12 июля
Александр Березин

Falcon 9 Block 5 впервые за три сотни запусков дал частично неудачный полет. Ракета выводила 20 спутников компании SpaceX, с 15 связь уже пропала, еще пять могут быть потеряны в ближайшее время.

[miniorange_social_login]

Комментарии

1 Комментарий
-
0
+
Это круто. То есть. так можно даже потенциально решить проблему повышения углекислого газа. Кто бы мог подумать, что смотреть нужно не в сторону сокращения производства со2, а в сторону увеличения его потребления ¯\_(ツ)_/¯
Подтвердить?
Подтвердить?
Причина отклонения
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Аккаунт заблокирован!

Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.

Понятно
Что-то пошло не так!

Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно