Как скромный роголистник может улучшить сельское хозяйство

Вы здесь из-за одного-единственного, очень важного фермента. Но не заглядывайте внутрь себя, чтобы найти рибулозо-1,5-бисфосфаткарбоксилазу/оксигеназу, известную среди ученых более милосердно как рубиско. Вместо этого обратите внимание на пищу, которую вы едите, и на деревья, которые производят кислород, поскольку именно этот белок делает возможным фотосинтез. Без него жизнь на Земле, какой мы ее знаем, не существовала бы.

Несмотря на всю эту тяжелую работу, Rubisco крайне неэффективен. Фермент превращает углекислый газ в сахара, которые поддерживают растения. Но его легко спутать, и он вступает в реакцию с кислородом, образуя токсичные побочные продукты, тратя энергию и ограничивая скорость роста растений. (В этом нет вины Рубиско: это очень сложная реакция, и просто посмотрите, сколько растений действовали правильно в течение сотен миллионов лет.) Сюда входят основные культуры, которыми питается человечество — зерно, овощи, фрукты — которые теоретически могли бы расти лучше, если бы их рубиско работало более эффективно. Эта проблема становится все более актуальной по мере повышения глобальной температуры, поскольку этот важнейший белок в жару становится еще менее эффективным.

Введите роголистник. Это крошечное растение, родственное мхам, растет зеленым листом на земле. Это единственное известное наземное растение, которое нашло способ (эволюционно говоря) усилить рубиско путем концентрации CO2 вокруг фермента.

Теперь международная группа ученых заявляет, что выяснила, как роголистник делает это и как он может применить эту сверхсилу к сельскохозяйственным культурам. Это может означать значительное повышение урожайности, и фермерам не придется обрабатывать столько земли, чтобы вырастить такое же количество продуктов питания. «Это очень впечатляет», — сказал Роберт Уилсон, биохимик, изучающий рубиско в Массачусетском технологическом институте. (Уилсон не участвовал в исследовании, но сотрудничает с одним из ученых.) «Это интересно, потому что это совершенно новый и новый механизм, посредством которого происходит важный аспект биохимии рубиско».

Ученым давно известно, что некоторые виды водорослей также повышают эффективность рубиско. Внутри хлоропластов — структур внутри клеток, где происходит фотосинтез, — у них образовались специализированные отсеки, известные как пиреноиды. Они концентрируют CO2 вокруг фермента, сводя к минимуму его реакцию с кислородом. «Он не позволяет рубиско соприкасаться с кислородом, потому что он помещает его в дом, а затем закачивает туда кучу CO2», — сказала Лаура Ганн, биолог синтетических растений из Корнеллского университета и соавтор нового исследования. бумага описывающую работу. «Таким образом, рубиско полностью, полностью насыщено CO2, а весь кислород находится за пределами дома».

Но поскольку водоросли так отдаленно связаны с пищей, которую мы едим, было бы сложно генетически модифицировать сельскохозяйственные культуры, чтобы имитировать эти пиреноиды. С другой стороны, роголистник является более близким родственником. Эти исследователи обнаружили, что у него есть уникальный способ создания этих пиреноидных структур благодаря белку, который они называют RbcS-STAR. Рубиско во всех растениях состоит из белков, но версия роголистника имеет дополнительный «хвост», который помогает связывать ферменты вместе, создавая отсеки, в которые перекачивается CO2, повышая эффективность процесса.

С этой целью исследователи ввели белок RbcS-STAR в близкородственный вид роголистника, у которого нет пиреноидов, и, конечно же, его рубиско реорганизовало, чтобы создать эти отсеки. Затем они проделали то же самое с арабидопсисом — небольшим цветковым растением, обычно используемым в лабораторных экспериментах в качестве модельного организма, — и он тоже отреагировал. «Они образуют пиреноидоподобные структуры, и это будет очень важным шагом на пути к улучшению фотосинтеза с использованием такого типа механизма концентрации CO2», — сказала Фэй-Вей Ли, биолог растений из Корнелльского университета и Института Бойса Томпсона и соавтор статьи. Теперь команда собирается сделать то же самое путем генетической модификации сельскохозяйственных культур: Ганн сказал, что, добавив пиреноидные структуры, исследователи могут повысить рост и урожайность на целых 60 процентов.

Однако на данный момент исследователи только что построили дом, похожий на пиреноид. «По сути, мы построили стены, да, мы построили крышу», — сказал Ганн. “Но у нас еще нет системы отопления, вентиляции и кондиционирования. У нас нет системы, которая будет закачивать CO2, а затем в конце откачивать сахарные продукты”.

Как только исследователи это поймут, это может означать полевой день для фермеров во всем мире. Поскольку Рубиско настолько неэффективен, растениям приходится производить его в больших количествах. Чтобы стимулировать это, фермерам приходится применять кучу синтетических удобрений. Все эти химикаты не только дороги, но и опасны для окружающей среды. огромное количество энергии для производствазатем загрязняет водные пути, когда стекает с полей.

Говоря о воде, этот прорыв также может означать, что сельскохозяйственные культуры будут использовать ее меньше. Растения усеяны небольшими структурами, называемыми устьицами, которые открываются, чтобы они могли «вдыхать» CO2. Поскольку рубиско настолько неэффективен, растениям необходимо глубоко дышать, чтобы получить достаточное количество газа, но при этом через устьица выделяется больше водяного пара, поэтому приходится постоянно орошать посевы. «Если рубиско не так сильно реагирует с кислородом, растения могут чаще закрывать устьица», — сказал Ли. «Если вы сможете закрыть устьица, вы потеряете не так много воды».

Но если водоросли и роголистник придумали, как улучшить рубиско, то почему не все растения? Водоросли живут в водной среде, где CO2 плохо растворяется, поэтому им приходится максимально использовать то немногое, что у них есть. Для роголистников причина на самом деле не ясна, тем более что у родственных видов, живущих в той же среде, не развились пиреноиды. Что касается всех других наземных растений, у которых нет лучшей системы, одной из причин может быть то, что рубиско развился в то время, когда в атмосфере было мало кислорода, а это означает, что растениям не нужно было беспокоиться о том, что фермент отвлечется, пытаясь переработать CO2.

Спустя много лет ученые взломали код и вскоре смогли сделать рубиско еще более важным ферментом. «Я думаю, что весьма вероятно, что в ближайшие 10 лет произойдет улучшение урожайности сельскохозяйственных культур за счет синтетической биологии растений», — сказал Уилсон. «И это очень интересно, потому что именно к этому эта область пытается двигаться уже много десятилетий».