Співробітники Університету Корнелла описали в статті для журналу Science Advances свій прорив в поліпшенні фотосинтезу деяких продовольчих культур.
Вчені придумали, як адаптувати рослини до швидких змін клімату і збільшення врожайності, щоб до 2050 року прогодувати прогнозовані 9 млрд осіб.
Вони розробили обчислювальний метод, який дозволив вченим визначити перспективні ферменти-кандидати для поліпшеного фотосинтезу рослин. Їх можна впровадити в сучасні сільськогосподарські культури і, зрештою, підвищити врожайність.
Новий метод спирався на історію еволюції. Дослідники передбачили стан генів рибулозобісфосфаткарбоксилази (RuBisCO) 20-30 млн років тому, коли рівень вуглекислого газу на Землі був вище, ніж сьогодні. Тоді ферменти RuBisCO в рослинах були адаптовані до таких екстремальних рівнів.
Рибулозобісфосфаткарбоксилаза-фермент, що каталізує приєднання вуглекислого газу до рибулозо-1,5-бісфосфату на першій стадії циклу Кальвіна, а також реакцію окислення рибулозобіфосфату на першій стадії процесу фотодихання.
Фактично, вчені “відродили” стародавній фермент, щоб поліпшити його для включення в сільськогосподарські культури. Це допоможе їм в адаптації до жарких і посушливих умов майбутнього клімату, оскільки діяльність людини збільшує концентрацію утримує тепло газу CO2 в атмосфері Землі.
Сучасний варіант RuBisCO “витягує” вуглець з CO2 для створення цукрів, але робить це дуже повільно. Крім того, іноді він каталізує реакцію з киснем повітря і створює токсичний побічний продукт, витрачає енергію і робить фотосинтез неефективним.
Тепер вчені реконструювали філогенез Rubisco, використовуючи рослини Solanaceae. “Отримавши безліч [генетичних] послідовностей Rubisco в існуючих рослинах, можна побудувати філогенетичне дерево, щоб з’ясувати, які RuBisCO, ймовірно, існували 20-30 млн років тому», — пояснюють автори дослідження.
Стародавні ферменти RuBisCO, передбачені на основі сучасних рослин Solanaceae, показали реальні перспективи в плані більшої ефективності. Надалі вчені спробують замінити гени існуючого ферменту RuBisCO в тютюні (модельній рослині) спадковими послідовностями з використанням технології CRISPR. Потім вони вимірюють, як це вплине на виробництво біомаси.