Путь от фотосинтеза к продовольственной безопасности

Энергия, которую растения получают от солнечного света в процессе фотосинтеза, является источником почти всей пищи человечества. Однако этот процесс имеет недостатки, которые ограничивают продуктивность сельскохозяйственных культур, особенно в быстро меняющемся мире.

Новый обзор учёных из Университета Иллинойса и их коллег

В новом обзоре, опубликованном в журнале Cell, учёные из Университета Иллинойса размышляют о том, как улучшение фотосинтеза может приблизить нас к продовольственной безопасности. Обзор написан профессорами Стивеном Лонгом, Эми Маршалл-Колон и Лизой Эйнсворт. Вместе с профессором химической и биомолекулярной инженерии Дивакаром Шуклой и коллегами из восьми партнёрских учреждений они оценили биологические стратегии повышения эффективности фотосинтеза — процесса, в ходе которого растения преобразуют солнечный свет в сахар в сельскохозяйственных культурах.

Улучшение эффективности фотосинтеза

Растение, способное улавливать больше солнечного света, может производить больше пищи или топлива. В обзоре, написанном десять лет назад, Лонг, Маршалл-Колон и главный исследователь Китайской академии наук Синь-Гуан Чжу описали перспективы сосредоточения внимания на фотосинтезе для разработки высокоурожайных сельскохозяйственных культур и определили потенциальные пути улучшения.

Настоящий обзор рассматривает прогресс, достигнутый в каждом из этих направлений, и вновь подчёркивает ценность такого подхода к исследованиям.

«Темпы, с которыми мы получали знания за последнее десятилетие, были невероятными, — сказала Эйнсворт. — Поскольку мы рассматриваем все проблемы, связанные с сельским хозяйством… фотосинтез имеет потенциал для их решения. Темпы научного прогресса ускорились за последнее десятилетие, и мы готовы к экспоненциальному росту понимания фотосинтеза в следующем десятилетии».

Проект Realizing Increased Photosynthetic Efficiency (RIPE)

Эйнсворт руководит международным проектом Realizing Increased Photosynthetic Efficiency (RIPE), который базируется в Институте геномной биологии Карла Р. Вуза и фокусируется на исследованиях в этой области. Лонг, Маршалл-Колон, Шукла и несколько других соавторов являются исследователями RIPE. Проект RIPE поддерживается Gates Agricultural Innovations (Gates Ag One).

Почему внимание уделяется фотосинтезу?

Процесс фотосинтеза, в котором энергия солнечного света улавливается хлорофиллом в растениях и используется для преобразования углекислого газа и воды в сахар и кислород, является центральным для жизни растений на Земле. Фотосинтез — это основной источник калорий, которые мы потребляем. Но, несмотря на свою центральную роль в жизни растений, фотосинтез, как и многие другие сложные системы, которые эволюция создала ad hoc, не оптимизирован для сегодняшней среды.

«Что интересно в этой статье, так это то, что многие из предложенных изменений или вмешательств в фотосинтез были внедрены в сельскохозяйственные культуры и протестированы в полевых условиях. Многие из них показали многообещающие результаты в улучшении ежедневного прироста фотосинтетического углерода, а также урожайности», — сказала Эйнсворт.

Ключевые цели для улучшения фотосинтеза

В обзоре подчёркиваются несколько ключевых целей для улучшения фотосинтеза. Одной из наиболее заметных является разработка фермента под названием Рубиско, который отвечает за захват атмосферного углекислого газа и его преобразование в сахара. Рубиско иногда захватывает кислород вместо углекислого газа, что приводит к дорогостоящему циклу рециркуляции, называемому фотореспирацией.

Стратегии улучшения фотосинтеза

Обзор рассматривает состояние множества решений этой проблемы. Решения включают в себя использование лабораторно направленного эволюционного процесса для разработки Рубиско с меньшей вероятностью ошибок; стимулирование растений к производству большего количества фермента для максимизации его пропускной способности; побуждение растений к формированию клеточных или тканевых структур, которые помогают концентрировать углекислый газ вокруг Рубиско, блокируя конкурирующие молекулы кислорода; и внедрение синтетических путей для обхода дорогостоящих стратегий фотореспирации, чтобы Рубиско оставался активным в более широком диапазоне условий окружающей среды.

Другие цели для повышения эффективности фотосинтеза связаны с потребностью растений в улавливании солнечного света. Свет должен проходить через многие слои листьев в плотно посаженных рядах сельскохозяйственных культур. Растения в дикой природе эволюционировали, чтобы конкурировать друг с другом, затеняя друг друга от света, но сельскохозяйственные культуры могут быть более эффективными, если они будут сотрудничать, обеспечивая поступление света к листьям на всех уровнях.

Культуры могут быть разработаны для более эффективного роста путём изменения угла и содержания хлорофилла в их листьях, что позволит большему количеству солнечного света проникать через верхний полог. Другие исследования направлены на то, чтобы помочь растениям быстрее переходить от защитных механизмов, используемых в условиях высокой интенсивности света, к оптимальному светопоглощению в облачные дни.

Достижения во всех этих областях продвинулись быстрее, чем первоначально прогнозировали соавторы, отчасти благодаря новым технологиям.

«Динамические модели белков теперь помогают нам лучше понимать взаимодействие белков, а передовые методы визуализации позволяют нам визуализировать межклеточное воздушное пространство листьев, что даёт новые идеи», — сказала Эйнсворт.

Публикация служит одновременно отражением того, что уже было достигнуто, и призывом к действию. В обоих случаях она также стала символом наследия. И Лонг, и Маршалл-Колон скончались в начале этого года. Для Лонга было особенно важно вновь сосредоточить исследовательское сообщество на достижимости и потенциальном влиянии улучшения эффективности фотосинтеза в целях обеспечения мира продовольствием.

«За десятилетие мы прошли путь от теории или доказательства концепции на модельных культурах до полевых испытаний продовольственных культур, — сказала Эйнсворт. — Этот обзор показывает, что мы не просто близки к улучшению фотосинтеза, мы уже делаем это. Повышение эффективности фотосинтеза достижимо, и мы можем интегрировать его в стратегии улучшения сельскохозяйственных культур».

Источник