Ученые ускорят рост растений фотосинтезом

Исследователям из Иллинойсского университета (США) удалось повысить скорость роста растений до 20% за счет увеличения уровня трех белков, участвующих в фотосинтезе. В статье, опубликованной в  журнале Science, сообщается об экспериментах, проведенных на табачных растениях, результатом которых стало увеличение темпов роста от 14% до 20%. Как следствие, данная работа подтвердила гипотезу о том, что производительность выращиваемых культур может быть изменена путем повышения эффективности процессов фотосинтеза.

Результатам данной работы предшествовали долгие годы вычислительного анализа, лабораторных и полевых тестов, проводимых учеными в попытке выяснить, какая именно комбинация белков может быть использована для управления процессом преобразования энергии света в энергию химических связей органических веществ. В эксперименте исследователями использовались табачные растения, ввиду простоты модифицирования последних. Теперь ученым предстоит повторить успех и на традиционных продовольственных культурах.

«Мы не знаем, как именно данный подход сработает на других культурах, однако поскольку мы используем универсальный процесс, одинаковый во всех растениях, мы уверены, что результат будет», — сказал руководитель проекта профессор Стефен Лонг (Stephen Long).

Объектом исследования стал защитный механизм растений, предохранящий последние от избыточной солнечной энергии. Дело в том, что в природе листья растений оказываются подвержены солнечному свету в течение долгих часов, получая, таким образом, куда больше солнечной энергии, чем они в состоянии использовать. Тут то и вступает в действие нефотохимическое тушение — защитный механизм, поглощающий избыточную энергию света с последующим рассеиванием в виде тепла.

Для расчета потерь производительности культур при нефотохимическом тушении учеными использовался суперкомьютер в Национальном центре суперкомпьютерных приложений Иллинойсского университета. Результаты оказались весьма интересными — потери в производительности культур варьировались от 7,5% до 30% в зависимости от типа растения и преобладающей температуры.

Совместно с Кришной Нийоги (Krishna Niyogi), экспертом по молекулярным процессам, Стефен Лонг решил ускорить процесс восстановления растения путем изменения трех белков. Для проверки этой гипотезы исследователи использовали на подопытном табачном растении «кассету» с тремя генами, взятыми от резуховидки.

«Цель заключалась просто в увеличении уровня трех белков, уже присутствующих в табаке», — отметил Стефен Лонг. Полученные в результате экспериментов саженцы были подвергнуты испытаниям, по итогам которых ученые получили картину того, как различные образцы реагируют на доступный свет. После этого были отобраны три лучших образца, которые впоследствии протестировали совместно с саженцами немодифицированного табака. В результате было выявлено, что прирост производительности модифицированных растений составляет от 14% до 20%.

Кроме того, ученые также провели целый ряд других экспериментов, в ходе которых скорость фотосинтеза увеличивалась путем воздействия на растения высокими концентрациями углекислого газа. В результате сельскохозяйственные культуры — пшеница, соя и рис, производили большее количество семян.

«Очень важно иметь в наличии подобные технологии уже сегодня, поскольку процесс адаптации подобных инноваций на практике может занять лет 20. Поэтому если у нас не будет этой технологии сегодня, у нас не будет необходимого решения тогда, когда оно потребуется», — считает Стефен Лонг.

Спонсором проекта выступает Фонд Билла и Мелинды Гейтс, причем условия финансирования подразумевают, что данные технологии должны быть бесплатными для аграриев стран Африки и Южной Азии.