Ученые изменили фотосинтез, чтобы прокормить весь мир

Используя новейшие достижения вычислительной техники и генной инженерии, ученые из Иллинойсского университета (США) изменили фотосинтетическую активность растений, что позволит в будущем собирать гораздо большие урожаи сельскохозяйственных культур.

Как говорят сами ученые, к 2050 году, когда на планете будет проживать около 9,5 миллиардов человек, эта технология будет жизненно необходима, чтобы прокормить человечество.

Подробнее о результатах их исследования можно прочитать в журнале Cell.

Профессор биологии растений Стивен Лонг (Stephen Long), один из создателей новой технологии, считает, что сейчас самое время для экспериментов с генетически модифицированными сельскохозяйственными растениями. Его команда работала над модификацией фотосинтеза совместно с учеными из Института вычислительной биологии Шанхая (КНР).

«Теперь мы знаем каждый шаг в процессе фотосинтеза C3-растений, таких как соя, и C4-растений, таких как кукуруза. Мы подключили беспрецедентные вычислительные ресурсы, чтобы создать модель каждой стадии фотосинтеза и определить, где находятся узкие места процесса, которые можно расширить с помощью генной инженерии. Современные достижения в этих областях помогут нам существенно повысить эффективность фотосинтеза, а вместе с этим и урожайность многих культур», - заявил профессор Лонг.

По его словам, в лабораторных экспериментах и компьютерных моделях уже удалось достичь значительных успехов.

«Наши ученые взяли ген из цианобактерии и ввели его в ген растения, что привело к повышению эффективности фотосинтеза на 30%», - говорит он.

Фотосинтезирующие микроорганизмы являются ключом к решению проблемы фотосинтеза в растениях. К примеру, некоторые бактерии и водоросли содержат пигменты, использующие для фотосинтеза более широкий спектр солнечного излучения, чем растительные пигменты. Если добавить соответствующие гены в растительные клетки, то процесс пойдет быстрее, то есть солнечная энергия станет для растений доступнее.

Лонг говорит, что некоторые исследователи уже пробуют привить С4-фотосинтез С3-растениям, но это означает серьезное изменение анатомии растений, изменение экспрессии многих генов и введение новых генов от растений с метаболическим путем С4.

«Другой, возможно, более простой способ – это добавление к С3-хлоропластам элементов от сине-зеленых водорослей. Это может повысить активность RuBisCO – фермента, который участвует в первой стадии фотодыхания, помогает преобразовывать диоксид углерода из атмосферы в растительную биомассу. Компьютерные модели показывают, что такие элементы могут усилить фотосинтез на целых 60%», - поясняет ученый.

Компьютерный анализ показал еще один способ сделать фотосинтез эффективнее и заставить растения расти и созревать быстрее. Некоторые растения усваивают много солнечной энергии через верхние листья, но слишком мало – через нижние. Возможно, это позволяет им победить своих соседей в дикой природе, но профессор Лонг говорит, что в фермерском хозяйстве такая конкуренция контрпродуктивна. Исследования, проведенные профессором биологии растений Дональдом Ортом (Donald Ort), были направлены на то, чтобы сделать верхние листья растений легче, чтобы больше солнечного света пробивалось к нижним листьям.

Основываясь на этих исследованиях и результатах своего компьютерного анализа, американские и китайские ученые собираются сделать первую модель растения in silico, которая станет «идеальным симулятором сложного взаимодействия биологических факторов». Эта модель заполнит многие пробелы в их знаниях и позволит двигаться дальше, к созданию сверхпродуктивных сельскохозяйственных культур.

Профессор Лонг с сожалением отметил, что нынешние политические и законодательные препятствия, в том числе непринятие общественностью генетически модифицированных растений, мешают претворению в жизнь перспективной технологии, которая могла бы удешевить продукты питания и прокормить растущее население Земли.

«Если сейчас у нас все получится, то мы увидим эти растения на фермерских полях как минимум через 15 лет. Но мы должны уже сегодня закладывать основы того, что понадобится нам в ближайшие 30 лет», - подытожил профессор.

medbe.ru