Специалисты подсчитали: чтобы прокормить 9 миллиардов людей до 2050 года, фермерам необходимо выращивать на 50% больше продовольствия на ограниченном количестве земель. Именно поэтому технологии повышения урожайности сегодня крайне важны. В частности, ученые активно работают над улучшением фотосинтеза.
Примечательно Китайские ученые изобрели ткань, которая может охладить тело в летнюю жару
Проблематика
Известно, что сине-зеленые водоросли фотосинтезируют более эффективно, чем большинство сельскохозяйственных культур. Поэтому исследователи имеют целью внедрить элементы из цианобактерий в сельскохозяйственные растения.
Процесс фотосинтеза:
- растения превращают углекислый газ, воду и свет в кислород и сахарозу – сахар, который используется для получения энергии и строительства новых тканей;
- при этом фермент Рубиско (рибулозобисфосфаткарбоксилаза), присутствует во всех растениях, превращает неорганический углерод, который берет из воздуха, в органическую форму;
- конечную форму растение использует для построения тканей.
Какие же препятствия возникают на пути к улучшению фотосинтеза в сельскохозяйственных культурах?
Дело в том, что Рубиско реагирует как с углекислым газом, так и с кислородом. Известно, что в случае реакции с кислородом образуются токсичные побочные продукты, замедляется фотосинтез, а следовательно – снижается урожайность.
Что сделали ученые
Исследователи удалили из хлоропластов (органелл растительных клеток, в которых происходит фотосинтез) карбоновую ангидразу – фермент естественного происхождения. Ангидраза создает равновесие между CO2 и бикарбонатом в клетках растений, катализирует реакции, в которых CO2 вместе с водой образуют бикарбонат – и наоборот. Однако ключевая проблема в том, что бикарбонат должен достичь уровня, на много большего, чем равновесный. Только тогда механизм концентрации углерода с цианобактерий будет работать в сельскохозяйственных культурах.
Эксперимент
Ученые поместили растения в камеру с высоким содержанием кислорода. Как ни странно, они продемонстрировали более быстрый рост.
Команда считает, что нашла обходной путь для удаления ангидразы при сохранении достаточного количества бикарбоната. Ученые планируют установить переносчик бикарбоната на хлоропластную мембрану, чтобы импортировать его из других частей клетки в хлоропласты. Так, дополнительный бикарбонат:
- сделает ненужной ангидразу;
- улучшит фотосинтез еще до того, как карбоксисомы можно будет превратить в хлоропласты.
Потенциальная проблема заключается в том, что карбоангидраза, обнаруженная в хлоропластах, участвует в защитных путях растений. Однако исследователи обнаружили, что они могут включать ферментативно неактивную версию карбоангидразы и при этом поддерживать защиту растения.
"Теперь мы знаем, что можем создать неактивный фермент, который не повлияет на наш механизм концентрирования углерода, но все же позволит культурным растениям быть устойчивыми к вирусам", – отмечают ученые.