Teadlased parandavad fotosünteesi häireid, et taimed kasvaksid 40 protsenti suuremaks

autor Ryan Whitwam

Kogu see hapnik, mida te hingate, ei paista atmosfääris lihtsalt võluväel. Maa on elamiskõlblik, kuna kogu maailmas olevad taimed pumbavad fotosünteesi kõrvalsaadusena hapnikku ja mõned neist muutuvad lisaks maitsvaks toidukultuuriks. Hoolimata paljudest evolutsioonilise rafineerimise ajastutest, pole fotosüntees siiski täiuslik. Illinoisi ülikooli teadlased on teinud tööd fotosünteesi puuduse parandamiseks ja see võib parandada saagikust 40 protsenti.

Uue uurimistöö keskmes on taimedes toimuv protsess, mida nimetatakse fotorespiratsiooniks, mis ei ole mitte niivõrd fotosünteesi osa, vaid selle tagajärg. Nagu paljud bioloogilised protsessid, ei tööta fotosüntees 100 protsenti ajast korrektselt. Tegelikult on üks peamisi fotosünteesi reaktsioone efektiivne vaid umbes 75 protsenti. Muutus toimub protsessis, mille taimed selle ebaefektiivsuse tõttu läbi viivad.

Fotosünteesi käigus võtavad taimed vett ja süsinikdioksiidi ning töötlevad seda suhkrute (toit) ja hapniku saamiseks. Taimed ei vaja hapnikku, nii et see väljutatakse. Õnneks vajame hapnikku ja hingame välja süsihappegaasi.

Uues uuringus käsitletud probleem on ensüümiga ribuloos-1,5-bisfosfaatkarboksülaasi oksügenaas (RuBisCO). See valgukompleks seob süsinikdioksiidi molekuli ribuloos-1,5-bisfosfaadiga (RuBP). Läbi aegade on Maa atmosfäär hapnikuvabamaks muutunud ja see tähendab, et RuBisCO peab hakkama saama rohkemate süsinikdioksiidiga segatud hapniku molekulidega. Umbes veerand ajast haarab RuBisCO kogemata hapniku molekuli ja sellel on tagajärjed taime sees.

Teadlased Don Ort (paremal), Paul South (keskel) ja Amanda Cavanagh (vasakul) uurivad, kui hästi toimivad nende fotoreostuse vältimiseks modifitseeritud taimed modifitseerimata taimede kõrval ka reaalsetes tingimustes.

Kui RuBisCO kruvib, jäetakse taimedele toksilised kõrvalsaadused nagu glükolaat ja ammoniaak. Nende ühendite töötlemiseks (fotorespiratsiooni kaudu) kulub energiat, mis lisatakse fotosünteesi ebaefektiivsusest tulenevale energiakadule. Uuringu autorid märgivad, et riis, nisu ja sojaoad kannatavad selle tõrke all ning temperatuuri tõustes on RuBisCO veelgi täpsem. See tähendab, et toiduainete varud võivad väheneda, kuna globaalne soojenemine muutub tõsisemaks.

Parandus on osa programmist, mida nimetatakse suurenenud fotosünteesi efektiivsuse suurendamiseks (RIPE), ja see põhineb uute kasvu parandavate geenide kasutuselevõtul. Tavaliselt toimub fotorespiratsioon ringikujulisel ja keerulisel viisil läbi kolme erineva rakulise organeli. See tarbib ATP-d (rakkude energiavääringut), mis peaks muutma taime suuremaks ja tugevamaks. RIPE keskendub fotovalgustuse kiirema ja energiatõhusamaks muutmisele.

Meeskond töötas välja kolm alternatiivset rada, kasutades uusi geneetilisi järjestusi. Parima lähenemisviisi leidmiseks optimeerisid nad radu 1700 erineva taime vahel. Kahe aasta jooksul katsetasid teadlased järjestusi modifitseeritud tubakataimede abil. See on teaduses tavaline taim, kuna selle genoom on erakordselt hästi mõistetav.

Need taimed tootsid umbes 40 protsenti rohkem biomassi kui modifitseerimata taimed. See näitab, et efektiivsemad fotorespiratsiooni teed säästavad taime märkimisväärses koguses energiat, mis võib selle asemel minna kasvu poole. Järgmine samm on geenide lisamine toidukultuuridesse, nagu sojaoa, lehmpea, riis ja tomatid.

Muudetud fotorespiratsiooni geenide integreerimine toidukultuuridesse, mis on keerukamad kui tubakas, võib võtta mitu aastat. Saadud taimed peaksid siis regulaatorid inimtoiduks heaks kiitma - see pole iseenesest kerge ja geneetiliselt muundatud põllukultuuride suhtes on sageli ette nähtud teadustevastane vastuseis. RISE-d toetavad mittetulundusühingud kogu maailmas, sealhulgas Bill & Melinda Gates Foundation. Kõik RISE raames välja töötatud seemned on saadaval tasuta.

Nüüd loe:

  • Teadlased selgitasid välja, kuidas taimede genoome näpistada, et fotosünteesi kiirendada
  • Rahvusvahelise kosmosejaama meeskond sööb esimest korda kosmoses kasvatatud salatit
  • Uus biotehniline nisu annab seentele sõrme ilma uusi geene lisamata
  • Uus biotehniline nisu annab seentele sõrme ilma uusi geene lisamata

Algselt avaldati www.extremetech.com 7. jaanuaril 2019.