Взлом защиты от солнца: изменённые растения дадут больший урожай и спасут Землю от голода

Профессор Стивен Лонг с урожаем модифицированного табака.

Фото L. Brian Stauffer.

Компьютерные модели предсказали, что генетически модифицированные растения могут лучше использовать ограниченный солнечный свет. Например, когда листья находятся в тени соседей.

Иллюстрация Julie McMahon/перевод "Вести.Наука".

Население мира, по некоторым прогнозам, достигнет почти 10 миллиардов к 2050 году. И существуют обоснованные опасения, что из-за большого количества людей и угрозы глобального потепления еды на всех не хватит. В связи с этим заявление американских учёных об усовершенствовании одного из самых важных биологических процессов на планете – фотосинтеза — многие восприняли с большим воодушевлением.

Исследователи говорят, что им удалось "взломать" фотосинтез — процесс, который помогает растению преобразовывать солнечный свет в химическую энергию. И теперь учёные нашли способ заставить растения быстрее поглощать солнечный свет, в результате чего повышается урожайность.

Специалисты Иллинойского университета в Урбана-Шампейн и Университета Калифорнии обнаружили, что они могут увеличивать производительность генетически модифицированных растений табака с 14 до 20 процентов. Такого результата удаётся достичь за счёт повышения содержания трёх белков, участвующих в фотосинтезе. Те самые соединения помог выбрать многолетний анализ различных экспериментов.

Отмечается, что исследователи давно изучают весь процесс фотосинтеза, чтобы определить, где его можно усовершенствовать. На этот раз специалисты нацелились на процесс, который растения используют для защиты себя от слишком яркого солнечного света.

Когда яркое солнце освещает листья культуры, растение абсорбирует больше света, чем оно может использовать для фотосинтеза. Если оно не может избавиться от избытка энергии, листья страдают, объясняют учёные.

Чтобы защититься от этого, растения запускают процессы, которые заставляют листья рассеивать лишнюю энергию в виде тепла. Химические изменения, происходящие при этом, исследователи называют нефотохимическим гашением (NPQ). Растения практически мгновенно включают механизм "гашения" при сильном освещении, но, после того как угроза миновала, у них занимает гораздо больше времени его выключение.

"Например, когда облако затеняет солнце или листья растений заслоняются другими листьями, защитное рассеяние продолжается ещё в течение некоторого времени – до получаса. В тени недостаток света ограничивает фотосинтез, а процесс NPQ кроме того заставляет растение по-прежнему терять свет в виде тепла", — говорит ведущий автор исследования Стивен Лонг (Stephen P. Long).

Компьютерное моделирование показало, что энергия, затраченная на "послегашение", снижает общую урожайность – от 7,5 до 30 процентов. Всё зависит от вида растений и условий освещённости.

Исследователи модифицировали три гена, чтобы повысить содержание трёх белков, которые могут помочь увеличить эффективность фотосинтеза. То есть сделать его более быстрым после исчезновения яркого солнечного света.

Компьютерные модели предсказали, что генетически модифицированные растения могут лучше использовать ограниченный солнечный свет. Например, когда листья находятся в тени соседей.
Компьютерные модели предсказали, что генетически модифицированные растения могут лучше использовать ограниченный солнечный свет. Например, когда листья находятся в тени соседей.
Иллюстрация Julie McMahon/перевод "Вести.Наука".

Они выращивали рассаду в ходе нескольких экспериментов и выбирали три лучших линии растений. Специалисты брали во внимание то, как растения реагировали на изменения в освещении. Затем они выращивали "улучшенные версии" на нескольких участках поля наряду с обыкновенными растениями табака. Две выбранных линии постоянно давали на 20% больший урожай, третья – на 14 процентов.

Конечно, выгода от увеличения урожая растений табака сомнительна. Но такие растения были выбраны для первичных экспериментов специально – они достаточно легко модифицируются. Сейчас же учёные сосредоточились на продовольственных культурах – рисе и сое.

Генетически модифицированные растения, поглощающие большее количество света, производят на 20 процентов больше урожая. Так что такие результаты могут иметь очень серьёзные последствия для глобальных поставок продовольствия.

Кроме того, исследования подтверждают теорию о том, что фотосинтез может стать эффективным "оружием" в борьбе за повышение урожайности растений. Ранее подобную гипотезу в научном мире воспринимали с большим сомнением.

Кстати, подобные технологии были использованы ранее для производства культур, которые более устойчивы к вредителям и различным заболеваниям, а также менее чувствительны к гербицидам. Но впервые учёные генетически модифицировали растения для увеличения урожайности.

 

Статья об исследовании вышла в научном журнале Science.

Добавим, что ранее улучшить способность растений к фотосинтезу удалось при помощи нанотехнологий. А ещё учёные установили, что представители флоры могут считать лучше людей и охотятся "с умом", не имея мозга.