Три шага на пути к продовольственному благополучию планеты

Фермент, ускоряющий преобразование углекислоты растениями является ключевым фактором повышения урожайности культурных растений. Недавно учёные сделали очередной шаг к интенсификации фотосинтеза таких важных продовольственных культур как пшеница и рис, что может повысить урожайность их и других растений примерно на 35-60%. Новый метод фотосинтеза, если он будет внедрён в культурные растения, не только повысит урожайность, но снизит потребность в воде и удобрениях, без которых современное сельское хозяйство не может обойтись.

Исследователи из Корнельского университета и Исследовательского центра Ротамстед в Великобритании успешно пересадили гены бактерий, известных как цианобактерии, растению табак, часто используемому в научных экспериментах. Пересаженные гены позволят растениям вырабатывать более эффективный фермент, необходимый для преобразования атмосферной двуокиси углерода в сахара и другие углеводы. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.

Учёные давно заметили, что некоторые растения перерабатывают углекислоту гораздо успешнее других. Этих «ударников» называют C4-растениями. Среди них кукуруза и многие виды сорняков. Однако, 75% мировых культур относится к другой группе, называемой C3-растениями. Её представители используют более медленную технологию фотосинтеза.

Благодаря самым передовым методам селекции сельскохозяйственного производства сегодня удаётся повышать урожайность пшеницы примерно на 1% ежегодно. Но это лишь половина от показателя, необходимого для того, чтобы гарантированно прокормить население планеты в ближайшем будущем. Учитывая важность проблемы урожайности пищевых культур, исследователи долгое время пытаются найти способ преобразовать наиболее распространённые культурные растения C3, среди которых пшеница, рис и картофель в С4.

На этом пути в последнее время отмечен некоторый прогресс. Но исследователи из Корнела и Ротамстеда выбрали более простой и эффективный метод. Вместо того, чтобы преобразовывать один вид растений в другой, изменяя анатомию, добавляя новые клетки и изменяя клеточную структуру, учёные занялись совершенствованием компонентов имеющихся клеток.

Взамен имитации С4-растений, исследователи позаимствовали трёхкомпонентный механизм фотосинтеза цианобактерий, которые используют для фотосинтеза собственные специфические инструменты. Во-первых, внутри клеток белки образуют специальный отсек, где концентрируется СО₂. Во-вторых, этот отсек содержит фермент-ускоритель, облегчающий преобразование углекислоты. И, в-третьих, в клеточных мембранах есть специальные «насосы», закачивающие в клетки CO₂.

Ранее в этом году исследователям удалось сформировать в клетках растений белковые отсеки для двуокиси углерода. Результатом их последней работы стало создание фермента-ускорителя.

На сегодняшний день осталось сделать третий шаг, создать механизм закачки СО₂ в клетки. Эту проблему решают коллеги учёных из Корнела и Ротамстеда. Когда решение будет найдено, все три компонента будут объединены в одних и тех же растениях.

Профессор молекулярной биологии и генетики из Корнельского университета Морин Хансен (Maureen Hansen) считает, что практические результаты трудов учёных станут доступны в коммерческом сельском хозяйстве не ранее чем через 5-10 лет.

По словам профессора медицины, биологии и окружающей среды из Австралийского национального университета Дин Прайс (Dean Price), который не принимал участия в текущем исследовании, речь идёт не об обычной пересадке одного или двух генов. Предстоит внедрить в растения 10-15 генов бактерий и убедиться, что гены стабильны. Только после этого могут начаться обширные полевые испытания в рамках требований правил регулирования использования генетически модифицированных сельскохозяйственных культур.