Растениям улучшили фотосинтез
Растения с оптимизированной фотозащитной системой поглощают больше углекислого газа.
По прогнозу Продовольственной и сельскохозяйственной организации ООН (Food and Agriculture Organization), к 2050 году человеческий мир, чтобы прокормиться, должен будет производить на 70% больше еды, чем сейчас. Обычно в таких случаях взоры всех обращаются на сельское хозяйство, от которого ждут, что оно станет ещё более эффективным. Действительно, со времён «зелёной революции» 40-х–70-х годов прошлого века, сельское хозяйство более-менее оправдывало возлагаемые на него надежды: появлялись новые удобрения, пестициды, новая техника, наконец, агробиологи создавали новые, более продуктивные сорта растений. Более продуктивные – значит, такие, у которых всё большая и большая часть биомассы приходится на то, что нужно человеку; например, продуктивный сорт злака отличается от непродуктивного тем, что первый даёт более короткие побеги и при том формирует больше семян. У современных сортов зерновых культур 50–60% биомассы приходится именно на семена. Однако дальнейшие повышение продуктивности упирается в фундаментальную проблему – недостаточную, с сельскохозяйственной точки зрения, эффективность фотосинтеза.
Естественно, исследователи задумались над тем, чтобы её повысить. Суть фотосинтеза заключена в его названии – это синтез биомолекул с использованием энергии солнечного света. Растения используют далеко не всю энергию света, который к ним приходит. Можно ли сделать так, чтобы они улавливали, грубо говоря, больше солнца и, таким образом, давали бы больше биомассы? Известно, что у фотосинтеза есть несколько типов, более и менее эффективных, которыми пользуются разные группы растений, и одна из идей тут состоит в том, чтобы культивируемые растения «научить» более эффективному типу фотосинтезу. Другой вариант – ускорить работу ферментов, которые работают на энергии света, выполняя сборку углеводных молекул. Ещё можно расширить диапазон световых волн, доступных растительным фотосистемам, как это сделали два года назад в Массачусетском технологическом институте.
И есть ещё один путь, который можно назвать в некотором смысле обходным. Избыток солнечного света вредит растениям так же, как и всем живым организмам, и, чтобы защититься от ожогов, у растений и водорослей есть свой солнцезащитный механизм. Как мы знаем, солнечную энергию ловит пигмент хлорофилл: свет выбивает электрон из молекулы пигмента, и этот электрон начинает путешествие по сложной цепи молекул-переносчиков. Перебрасывание электрона с молекулы на молекулу даёт энергию, необходимую для превращения углекислого газа в углеводы (кислород же является побочным продуктом реакции). Однако если на хлорофилл приходит слишком много света, он «перевозбуждается» и делается опасен: такой хлорофилл генерирует активные формы кислорода, повреждающие биомолекулы и органы клетки – иными словами, начинается окислительный стресс. Чтобы такого не было, в фотосинтетических системах есть своеобразный предохранитель, так называемое нефотохимическое тушение: часть энергии, попавшей на хлорофилл, просто рассеивается в тепло.
Тушение работает не всё время: если света приходит много, светособирающие белки меняют пространственную конформацию, собираются в комплексы тушения и помогают рассеивать избыток энергии. Если же света не много, а в самый раз или мало (например, если на солнце набежала туча или лист оказался в тени от другого растения), то никакого тушения не происходит. Однако переключение защитной системы происходит с задержкой, и если включается она за несколько минут, то на её отключение уходят часы, и всё это время часть энергии уходит в тепло – а значит, уменьшается эффективность фотосинтеза. Для диких растений тут нет ничего страшного, но, если перейти к сельскохозяйственным оценкам, то потери будут вполне ощутимыми: в средних широтах из-за задержки в выключении системы тушения растения на фермах поглощают углекислого газа на 30% меньше, чем могли бы – а чем меньше они «съедают» СО2, тем меньше получается биомассы.
Само собой напрашивается вывод, что для увеличения продуктивности сельскохозяйственных культур можно было бы оптимизировать систему нефотохимического тушения. Как это можно сделать, описано в только что вышедшей статье в Science. Исследователи из Иллинойсского университета в Урбане–Шампейне снабдили растения табака дополнительными копиями трёх генов, регулирующих работу защитной системы: один из них кодирует молекулу, входящую в состав светоулавливающего комплекса, два других кодируют ферменты, благодаря которым в клетке появляются комплексы тушения. С добавочными генами (которые табаку пересадили от другого растения, Arabidopsis thaliana) фотозащитная система быстрее реагировала на затенение и быстрее отключалась. Эксперименты подтвердили, что после модификации растения поглощали больше углекислого газа, и, что самое главное, модифицированный табак действительно вырастал более крупным – за 22 дня он набирал массы на 14–20% больше, чем немодифицированные экземпляры. Никаких отрицательных побочных эффектов не было – генетическая добавка не сделала табак менее устойчивым к болезням и стрессу.
Сейчас авторы работы собираются проделать те же манипуляции с рисом, кукурузой и другими культивируемыми злаками – чтобы убедиться, что такой способ повышения продуктивности работает не только в табаке. Кстати говоря, вполне возможно, что оптимизировать работу системы тушения можно и без пересадки добавочных генов: гены растений часто и так существуют сразу в нескольких копиях, из которых работают только несколько, а прочие же молчат, запечатанные мутациями или какими-нибудь регуляторными модификациями. Дело здесь только за тем, чтобы найти в собственных геномах табака, риса, кукурузы и т. д. добавочные молчащие копии генов системы тушения и активировать их.
