Сотрудники университета Корнелла описали в статье для журнала Science Advances свой прорыв в улучшении фотосинтеза некоторых продовольственных культур, пишет Хайтек.
Ученые придумали, как адаптировать растения к быстрым изменениям климата и увеличению урожайности, чтобы к 2050 году прокормить прогнозируемые 9 млрд человек.
Они разработали вычислительный метод, который позволил ученым определить перспективные ферменты-кандидаты для улучшенного фотосинтеза растений. Их можно внедрить в современные сельскохозяйственные культуры и, в конечном счете, повысить урожайность.
Новый метод опирался на историю эволюции. Исследователи предсказали состояние генов рибулозобисфосфаткарбоксилазы (RuBisCO) 20-30 млн лет назад, когда уровень углекислого газа на Земле был выше, чем сегодня. Тогда ферменты RuBisCO в растениях были адаптированы к таким экстремальным уровням.
Рибулозобисфосфаткарбоксилаза — фермент, катализирующий присоединение углекислого газа к рибулозо-1,5-бисфосфату на первой стадии цикла Кальвина, а также реакцию окисления рибулозобифосфата на первой стадии процесса фотодыхания.
Фактически, ученые «возродили» древний фермент, чтобы улучшить его для включения в сельскохозяйственные культуры. Это поможет им в адаптации к жарким и засушливым условиям будущего климата, поскольку деятельность человека увеличивает концентрацию удерживающего тепло газа CO₂ в атмосфере Земли.
Современный вариант RuBisCO «вытягивает» углерод из CO₂ для создания сахаров, но делает это очень медленно. Кроме того, иногда он катализирует реакцию с кислородом воздуха и создает токсичный побочный продукт, тратит энергию и делает фотосинтез неэффективным.
Теперь ученые реконструировали филогенез Rubisco, используя растения Solanaceae. «Получив множество [генетических] последовательностей Rubisco в существующих растениях, можно построить филогенетическое дерево, чтобы выяснить, какие RuBisCO, вероятно, существовали 20–30 млн лет назад», — объясняют авторы исследования.
Древние ферменты RuBisCO, предсказанные на основе современных растений Solanaceae, показали реальные перспективы в плане большей эффективности. В дальнейшем ученые попробуют заменить гены существующего фермента RuBisCO в табаке (модельном растении) наследственными последовательностями с использованием технологии CRISPR. Затем они измерят, как это повлияет на производство биомассы.
