Ученые нашли способ прокормить растущее население Земли

Ученые Корнеллского университета (США) нашли способ создания высокопродуктивных сельскохозяйственных растений с усовершенствованным процессом фотосинтеза. Открытие, о котором сообщается в высокорейтинговом научном журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, указывает на возможность повысить урожайность культур на ограниченных площадях, что позволит прокормить растущее население Земли к 2050 году.

В хлоропластах содержится фермент карбоангидраза, который облегчает фотосинтез у растений, которые фиксирует углерод через С3-путь (то есть большинство растений). Она катализирует реакцию взаимопревращения между бикарбонатом (HCO3) и углекислым газом и водой, и, таким образом, обеспечивает равновесие между усваиваемым углекислым газом и бикарбонатом. Считается, что для увеличения продуктивности фотосинтеза, необходимо удалить карбоангидразу, и тогда сельскохозяйственные растения начнут усваивать углекислый газ столь же интенсивно, как и сине-зеленые водоросли (или цианобактерии).

Для подавления карбоангидразы ученые воспользовались системой редактирования генов CRISPR/Cas9. С помощью нее они заблокировали активность двух генов, кодирующих два вида карбоангидразы β-CA1 и β-CA5, функционирующих внутри хлоропластов. Оказалось, что если заблокировать один из двух ферментов, то растения растут нормально, но при нокауте обоих генов листья начинали отмирать. Таким образом, карбоангидраза нужна растениям для того, чтобы производить бикарбонат, необходимый для формирования листа.

Если же растения с двойной мутацией поместить в условия с высоким содержанием углекислого газа (9000 частей на миллион), то нормальный рост возобновлялся, поскольку в этом случае в тканях листьев образуется достаточно бикарбоната и без участия карбоангидразы. Листья как мутантов, так и нормальных растений, созревших при высокой концентрации CO2, имели идентичные скорости фиксации углерода и эффективность фотосистемы II — комплекса, который производит кислород при разложении воды с участием света.

Поскольку исследование раскрывает, что сама карбоангидраза не нужна для процесса фотосинтеза, остается создать дополнительные механизмы для транспортировки бикарбонатов в хлоропласты, чтобы повысить эффективность усвоения углерода. Исследователи планируют установить переносчик бикарбоната на хлоропластную мембрану, чтобы импортировать соединение из других частей клетки в хлоропласты. Для этой цели ученые получили грант Национального научного фонда на сумму около 800 тысяч долларов. Другой важной проблемой является то, что карбоангидраза нужна для защиты растений от вирусов, однако эту функцию может выполнять неактивный фермент.