Улучшенный фотосинтез не всегда улучшает урожай
Урожайность от улучшенного фотосинтеза может даже упасть, если не учитывать, в каких условиях этот улучшенный фотосинтез будет работать.
Растения, а также водоросли и многие бактерии с помощью фотосинтеза синтезируют сложные органические вещества в буквальном смысле из воздуха, то есть из углекислого газа, используя энергию света. Из органических веществ, полученных в фотосинтезе, растения создают себе стволы, корни, листья, плоды и семена. Если взглянуть на это с сельскохозяйственной точки зрения, то можно предположить, что чем лучше идёт фотосинтез, тем больше получится урожай.
Сейчас у нас достаточно инструментов, чтобы вмешаться в фотосинтетические реакции и сделать их более эффективными. Здесь есть несколько подходов. Во-первых, как мы только что сказали, энергию для фотосинтеза даёт свет. Как он её даёт? Если в очень общих чертах, то энергия света поглощается пигментами хлорофиллами, при этом из молекул хлорофиллов вылетают электроны и начинают путешествие по сложной электронтранспортной цепи, составленной из нескольких белковых комплексов. Электрон постепенно теряет энергию, которая запасается в удобной для клетки биохимической форме – в виде молекул АТФ. (Кстати, появление кислорода из воды происходит как раз во время электронтранспортной фазы фотосинтеза.)
Один из способов улучшить фотосинтез – это оптимизировать поток электронов в листьях растений. Тут могут быть разные варианты; например, мы как-то писали об экспериментах исследователей из Иллинойсского университета в Урбане–Шампейне, которые перенастроили систему защиты от избытка солнечной энергии, регулирующей потоки электронов.
После того, как в клетке появилась удобная в обращении энергия, её можно направить на синтез органики из углекислого газа. Ключевую роль тут играет фермент рибулозобисфосфаткарбоксилаза, или РуБисКо, который работает как раз с молекулами углекислого газа. Но он же катализирует другую, конкурирующую, реакцию, связанную с поглощением кислорода и выделением CO2. С помощью генной инженерии можно попытаться так изменить фермент РуБисКо, чтобы он как можно активнее фиксировал углекислый газ и как можно медленнее занимался второй реакцией.
Наконец, сам углекислый газ должен как-то проникнуть к реакционным центрам. Улучшить фотосинтез можно, если помочь CO2 проделать этот путь.
Но тут возникает вопрос, действительно ли улучшение фотосинтеза однозначно ведёт к повышению урожайности? Ведь активность фотосинтетических реакций меняется не только в зависимости от того, много света падает на растение или мало. Большую роль играет вода: если, например, воды мало, растение будет её экономить, закрывая устьица – особые поры в листе, через которые вода испаряется. Но через те же устьица в лист поступает углекислый газ, необходимый для фотосинтеза.
Исследователи из Австралийского национального университета и Университета Квинсленда построили модель, которая позволяет увидеть, как на продуктивности растения будут сказываться разные виды оптимизации фотосинтеза. В качестве модельных растений взяли пшеницу и сорго. Оказалось, что в некоторых случаях улучшенный фотосинтез может приводить даже к потере в продуктивности, пусть и небольшой.
В статье в Nature Plants говорится, что разброс урожайности в процентах был от 1% в минусе до 12% в плюсе – всё зависело от того, как именно улучшали фотосинтез и в каких условиях приходилось жить растению. Иными словами, если мы хотим собирать больший урожай с помощью биотехнологий, то просто повышать эффективность фотосинтетических реакций недостаточно – нужно знать, при каких условиях эти улучшения действительно дадут эффект.
По материалам Phys.org.
