Передовой метод селекции – повышение биопродуктивности растений, например эффективности фотосинтеза. Имя человека, управляющего растительным фотосинтезом – Аманда Кавана (Amanda Cavanagh).
Как накормить всех, не причиняя вреда планете?
Сотни миллионов лет растения эволюционировали в условиях доступа к углекислому газу и практически полного отсутствия свободного кислорода. Они хорошо научились, используя энергию солнечного света, преобразовывать углекислоту в сахара, применяемые затем для создания более сложной органики, роста и размножения.
Поначалу дозы свободного кислорода были минимальны – он сразу усваивался хемосинтетическими бактериями или, скажем, панцирями моллюсков мелового периода. Но постепенно эти пути утилизации кислорода исчерпывались, а бурный фотосинтез продолжался. Атмосфера накапливала всё больше свободного кислорода, и животное царство, поглощавшее этот газ и породившее человека, стало процветать.
А как же растения? Для них резкое повышение доз кислорода в атмосфере оказалось проблемой. Растения стали путать углекислый газ с кислородом, иногда захватывая кислород по ошибке. В давние фотосинтетические времена растения не нуждались в особой проницательности; вокруг было так много углекислоты, что всасывание случайных молекул кислорода не затрагивало ни одно растение всерьёз.
Перенесёмся в современную эпоху: наш богатый кислородом воздух сбивает с толку, вынуждая растения страдать. Они до сих пор не отточили в совершенстве искусство отличать кислород и углекислый газ. И примерно в 20% случаев они их путают: тщетная попытка сделать сахар срывается надоедливой молекулой кислорода. При попытке переработки кислорода образуются гликолят и аммиак, оба токсичные для растения.
У растений есть сложный путь для переработки этих токсинов в углекислый газ, называемый “фотореспирацией”, это мучительная проблема: многие растения расходуют до 30% своего ежедневного энергобаланса на утилизацию ядов, теряя темпы роста и развития.
В дикой природе растения приспосабливаются как могут, продолжая совершенствовать газообмен, фотосинтез и фотореспирацию, человек в это не вмешивается. Но развитие сельское хозяйство – это история рационализации. В мире, где число голодных ртов опережает рост производительности сельского хозяйства, этот “глюк” фотосинтеза имеет большой научный интерес. Это узкое место воспроизводства пищи. По расчётам, в США фотореспирация снижает урожайность сои на 36%, а урожайность пшеницы – на 20%.
А что, если это исправить?
Команда исследователей из Университета Иллинойса и Министерства сельского хозяйства США опубликовали в журнале Science за январь 2020 статью. В ней предложено 4 возможных механизма, сделать именно это. Они ввели гены из тыквы и зелёных водорослей в хлоропласт растений табака, то есть в ту часть растительной клетки, где происходит фотосинтез. «Это те два гена, которые ученые изучили и знали очень хорошо», - говорит Аманда Кавана, биохимик растений из Университета Иллинойса и автор исследования.
Исходя из предварительного моделирования, они знали, что эти гены выполнят работу по фотореспирации; задача заключалась в сглаживании этого процесса, выравнивании относительно менее совершенного, присущего известным сортам табачных растений. Это напоминало выпрямление окольного шоссе на трассе.
«Вот где безопасные ГМО!»
Генетически модифицированные табачные растения с их усиленными фотореспираторными путями стали расти на 40% быстрее, чем их не модифицированные аналоги.
Команда возилась с генетическими комбинациями, пока не нашла ту, что смогла перекрыть более затратный путь фотореспирации табачного растения, заменив его более эффективным, сконструированным из водорослевых и тыквенных генов. По сути они построили на зелёном фотосинтезирующем заводе новый цех быстрой переработки всех отходов поглощённого кислорода. Причём переработка, ранее проходившая в растительной клетке в три этапа, теперь шла в один этап.
Более того, выделенный в результате этого процесса СО2 сразу направлялся на нужды растения, а не терялся с испарениями, как это было у табака до генетической модификации. Такая генетическая настройка привела к тому, что полученные растения табака выросли на целых 40% крупнее, чем их обычные собратья.
Перспективы и трудности фотосинтезирующей модификации (RIPE)
Это только один из нескольких важных результатов многомиллионной инициативы, направленной на поиск обходных путей устранения узких мест в фотосинтезе с целью повышения производства растениеводческой продукции. Называется она RIPE (реализация повышения эффективности фотосинтеза), финансируется Фондом Билла и Мелинды Гейтс, Фондом исследований в области продовольствия и сельского хозяйства и Департаментом международного развития Великобритании.
Другие заметные выводы включают в себя документ 2016 г., тогда исследователи сообщили о способе стимулировать табачные растения к усилению роста на 20%, генетически изменив их, чтобы те быстрее реагировали на изменение освещённости.
Теперь Кавана и её коллеги по лаборатории моделируют и настраивают пути рационализации оборота кислорода у других культурных растений, таких как соевые бобы и вигна (черноглазый горох). Такое расширение деятельности влечёт следующий вопрос: а сохранят ли модифицированные культуры ту же пищевую ценность, что и неизменённые сородичи, поскольку наработанная генетическая модификация по существу «скармливает» растению больше CO2.
«Один из итогов предварительных исследований гласит: чем больше углекислоты поглощает растение, тем менее питательные зёрна оно производит», - говорит Кавано. Это известное «общее место» продовольственной безопасности в эпоху изменения климата: более высокие концентрации CO2 в атмосфере стимулируют растения расти быстрее, но как показывают исследования, это снижает концентрацию питательных веществ урожая.
Одном из исследований 2018 г. показало, что обогащение CO2 [тепличного] рисового чека привело к снижению концентрации в зерне белка, витаминов группы В и важнейших минералов, таких как цинк и железо.
Неожиданный побочный эффект глобального потепления
С другой стороны, Кавано уверена и в новых успехах, и возрастании востребованности подобных исследований. Она указывает, что с усиленикм глобального потепления, поиск вариантов решить проблему фотореспирации станет гораздо более жгучей необходимостью. Сейчас растения поглощают до одной трети того избытка углекислого газа, которым человечество накачивает атмосферу, превращая его в сахара, чтобы расти. По мере роста уровня углекислого газа, глобальный фотосинтез пока тоже увеличивался.
Но, по мере повышения температуры растения станут поглощать относительно всё меньше углекислого газа, вероятно, это уже происходит. Причина в том, что нагревание воздуха ухудшает способность растений различать кислород и углекислый газ, а интенсивность фотореспирации растёт. Потепление планеты влечёт к росту потерь урожая от этого "сбоя", и снижение буфера «лёгких планеты» для наших выбросов углерода.
