Исправление фотосинтеза

Можно ли повлиять на фотосинтез?

Растениям нужно всего три основных ингредиента — солнце, вода и углекислый газ в воздухе — для создания сахаров, которые в конечном итоге поддерживают большую часть жизни на Земле. Фотосинтез заставляет мир вращаться: он обеспечивает кислород, которым мы дышим, пищу, которую мы едим, и топливо, которое мы сжигаем. Но хотя это чудо, оно также может быть несовершенно. При определенном количестве солнечного света большинство растений может преобразуют не более пяти процентов этой световой энергии в биомассу, а при некоторых условиях окружающей среды — всего один процент.

Если бы растения могли лучше синтезировать, дополнительный рост мог бы помочь прокормить почти 10 миллиардов человек, которые, по оценкам ООН, будут населять планету к 2050 году. И это могло бы помочь компенсировать другие ожидаемые проблемы: глобальные диетические сдвиги в сторону мяса и молочных продуктов, рост спроса на биотопливо, добыча которого оставляет меньше земли для выращивания продуктов питания, и более горячие ландшафты, которые ухудшают процесс фотосинтеза многих культур.

Существует большая неопределенность в отношении того, как мы доберемся до повышения урожайности, которое нам необходимо в будущем.

Табак Petit Havana

Рассказывает Рейчел Эренберг из Университета Иллинойса . В плохо освещенном подвале находится камера пыток для растений. Это выглядит просто: фанерный ящик размером с небольшой журнальный столик, через который воздух просачивается через трубку. Коробка имеет два яруса. Верхняя часть фанерного ящика содержит крошечные, девятидневные саженцы табака, размером не больше 5 см. Дно покрыто слоем негашеной извести, материала, предназначенного для очистки воздуха от углекислого газа. Для человека это жизнь, для маленьких растений в коробке это смерть. Но если какое-то растение уцелеет, значит оно смогло унаследовать спасительную генетическую модификацию.
А если саженец сможет выстоять в течение 24 часов и сделать пророст с неповрежденным хлоропластом, будет найдено нечто принципиально новое. И это решение может зависеть от небольшого проростка табака, задыхающегося без CO2.

Предел плодородия.

Традиционные инструменты для улучшения урожая уже привели к необычайному росту. Начиная с 1920-х годов, селекционеры создавали растения, которые не только росли быстрее, что позволяло увеличивать количество посадок за сезон, но и производило больше калорий для употребления в пищу. Эти достижения были частично достигнуты путем выбора двух признаков: растений с листьями, которые могли бы перехватывать как можно больше света, и растений, которые могли бы собирать как можно больше биомассы в съедобные семена. Сегодняшние лучшие сорта сои собирают около 90 процентов доступного солнечного света и упаковывают до 60 процентов своей биомассы в боб; пшеница и рис также показали значительный рост урожайности. Но урожайность приближается к потолку — в конце концов, растение не может быть ничем иным, кроме как семенем. Куда могут обратиться ученые в дальнейших поисках? Повысить эффективность фотосинтеза! Обычное селекция растений использует естественную изменчивость, ища отдельные растения с интересными признаками: например, семена немного больше, чем у их соседей, или значительно более короткие стебли. Но эта стратегия не работает для фотосинтеза, который движется с одинаковой скоростью, и как оказалось, совсем не идеален.

Физиологи растений были заинтригованы тем, что, по-видимому, было основным затруднением в C3-фотосинтезе . При определенных обстоятельствах растения производили токсичное соединение, называемое гликолят. Растения производят его, а из-за того, что он токсичен, им приходится снова разлагать его. Производство, и последующая очистка гликолята — процесс, называемый «фотодыханием», — является серьезной проблемой. Он приводит к химическим реакциям, которые выпускают ценный углерод обратно в воздух. Так что же заставило растения делать гликолят?

Рубиско

Виновником оказался фермент, отвечающий за один из первых этапов фотосинтеза. Сегодня этот фермент известен как Рубиско (сокращение от рибулозо-1,5-бисфосфаткарбоксилазы / оксигеназы).  Задачей этого фермента является захват диоксида углерода, попадающего в лист, и прикрепление его к другой молекуле в сборочной линии. Оказалось, что неумелый энзим вместо этого может ошибочно захватывать кислород, отправляя его вместо углекислого газа. И когда Рубиско пропускает кислород в линию сборки фотосинтеза, получается гликолят, который разворачивает и тормозит процесс. Это наблюдается и в сое, и в рисе, и в пшенице.

Молекулярная структура Рубиско, ключевого фермента в фотосинтезе. Он улавливает углекислый газ, попадающий в лист, но иногда по ошибке улавливает кислород.

Промах фермента Рубиско носит серьезный характер. Оценки показывают, что «фотодыхание» может снизить эффективность фотосинтеза более чем на 40 процентов. Если бы это спроектировал инженер, это было бы сочтено грубой технической ошибкой. Почему так произошло? Дефект Рубиско коренится в его древнем происхождении и сильном прошлом планетарном успехе. Этот возможно самый распространенный белок на Земле находится в растениях, водорослях и светолюбивых бактериях. Вся эта биомасса занята превращением неорганического углерода в полезное органическое вещество, составляя более 99 процентов мирового первичного производства. Это глобальный процесс, благодаря которому биомасса выходит из воздуха.

Миллиарды лет назад, когда фермент Рубиско начал делать свою работу, в воздухе почти не было кислорода. Поэтому не имело значения, если фермент подобрал случайную молекулу кислорода и слегка «подавился» — вокруг было не так много химии. Сама жизнь и работа Рубиско — фотосинтез, изменили это. На протяжении многих веков он все больше и больше нагнетал кислород в атмосферу. Сегодня кислорода в воздухе примерно в 500 раз больше, чем CO2. Этот кислород является ахиллесовой пятой Рубиско: хотя точные цифры меняются в зависимости от особенностями окружающей среды, расчеты с широкими допусками показывают, что на каждые пять диоксидов углерода Рубиско захватывает две молекулы кислорода. Кроме того Рубиско не смог себя модифицировать, чтобы исправиться, и не употреблять кислород: ученые предполагают, что его эволюционное путешествие заключило его в базу, ядро сиситемы, так что незначительные мутации полностью нарушали его функцию и приводили к гибели.

«Не забывайте, что растения очень долго живут и устарели», — говорит Аманда Кавана, постдок университета Иллинойса — «Их механизм не может справиться с высоким содержанием кислорода, окружающей средой, которую они сформировали. Это проблема для фотосинтеза, и это проблема для продовольственной системы»

Генетически модифицированный метаболизм.


«Фотодыхание» — запутанный процесс, похожий на посещение трех разных зданий, чтобы наконец выбросить ненужный мусор (гликолят) на обочину. Гликолят представляет собой модификацию угреродистого соединения. Он производится в хлоропласте, затем проходит через два других клеточных отдела — пероксисому и митохондрию. Часть его углерода рециркулируется и отправляется обратно в хлоропласт для производства сахаров, но это и есть потеря эффективности. Идея исследователей заключается в том, чтобы изменить генетический материал растения и немедленно перерабатывать гликолят прямо в хлоропласте, восстанавливая весь углерод и экономя энергию.
Фото: Рейчел Эренберг

«Фотодыхание» бродит по проселочным дорогам — говорят исследователи, объезд должен вести на автостраду.

Идея имеет проверенный послужной список. Десять лет назад, например, исследователи во главе с биологом растений Кристофом Петерханселем, тогда работавшим в Аахенском университете RWTH в Германии, успешно создали обход «фотодыхания» в сорняковой горчице Arabadopsis, самом известном лабораторном растении для испытаний. Их подход, описанный в Nature Biotechnology в 2007 году, заимствовал гены бактерии Escherichia coli для оптимизации очистки гликолята. Растения процветали, росли быстрее и дали больше побегов и корней, чем их сравнительные группы.

Другой подход, которым руководит биохимик растений Вероника Маурино из Университета Генриха Гейне в Германии, использовал гены как растений, так и кишечной палочки. Эта работа, опубликованная в 2012 году в журнале Frontiers in Plant Science, также вызвала положительный рост. Но эти прошлые усилия не использовали инструменты, доступные сегодняшним генным инженерам, которые позволяют вставлять несколько желательных генов в ряд и включать кусочки ДНК, которые могут активировать или понижать активность вставленных генов.

Кроме того в последующие годы исследователи обнаружили еще два действующих фермента-белка для исследований. Они выводят гликолят из хлоропласта, позволяя побочному продукту «сматываться». Исследователи полагают, что у них есть способ их инактивации, что послужит сейчас стопорным механизмом для вредного «фотодыхания».

Был использован большой объем вычислительных прогнозов. Для того, чтобы решать, какие именно гены нужно модифицировать и как, было использовано компьютерное моделирование потенциальных конструкций, которые смешивают и подбирают механизм «объезда». Они охватывают множество изменений: новые схемы уже протестированных обходных генов; гены, полученные из разных источников, таких как водоросли; фрагменты ДНК, чтобы включать и выключать различные гены (в том числе восстанавление «фотодыхания», если оно окажется более важным и содержательным, чем сейчас предполается). Конечный результат всего этого перетасовки — 140 генетически отличных линий растений табака с разными вариантами обхода «фотодыхания». Каждая линия будет проходить ряд испытаний, в том числе парниковых и полевых испытаний.

У исследователей может и не оказаться единственного «лучшего» решения — на самом деле, они к этому не стремятся, потому что реальные условия сильно различаются от лабораторных. Но работа с несколькими конструкциями обхода позволит им определить версии, которые будут проявлять превосходство, скажем, в условиях засухи, или почвы с низким содержанием азота, или повышенных температур. Признаком успеха будет нарастить фотосинтез в настоящем растении, выращенном так, как его может выращивать фермер. Данное исследование модифицирует сигарный сорт табака под названием Petit Havana , но соя, картофель и вигна (cowpea) — основной продукт в странах Африки к югу от Сахары — все на очереди и в поле зрения исследователей.

Зеленые машины?

Первые результаты обнадеживают. В оранжереях лаборатории, где легко обойти растения табака с цветущими побегами, видно, что они тянутся значительно выше над зеленью их обычных соседей. В полевых испытаниях, у растений табака с модификацией было на 25% больше биомассы — добавленной массы листьев и стеблей — по сравнению с теми, которые не были обработаны. Метаболизм увеличил эффективность использования фотосинтеза на свету на 17%.
Не все думают одинаково. Другие ученые занимаются проблемой фотосинтеза, пытаясь усилить стратегию, которая много раз развивалась в мире природы. Примерно три процента наземных растений используют другой фермент, тот, который игнорирует кислород, для захвата CO2. Эти растения «C4» ,  которые включают крабовую траву, сахарный тростник и кукурузу, имеют совершенно другую анатомическую структуру, которая удерживает фермент Рубиско от захвата кислорода. Такие растения имеют очень низкий уровень «фотодыхания». Вдохновленная этим, команда во главе с генетиком по развитию растений Джейн Лэнгдейл из Оксфордского университета в Англии пытается разработать версию риса для С4. Проект, финансируемый фондом Гейтса, является сложным, но, сделав солидный шаг к достижению этой цели, в ноябре текущего года ученые сообщили в Current Biology, что они разработали анатомические изменения, чтобы приблизить рис к анатомии C4. Конечно, науки не хватит, чтобы прокормить мир будущего.

В развивающихся странах также будут проводиться изменения аграрной политики и базовые улучшения инфраструктуры, например дорог и электроснабжения. Все это должно быть исправлено, поскольку фермерам нужны новые технологии, а это означает огромные изменения в государственных и частных инвестициях и в управлении. Это гигантские проблемы, но в надежде, что они будут решены, исследователи упорно мучают не одно поколение растений, видя, что это приносит свои плоды.

Поделиться