Вторая зеленая революция: ученые «взломали» фотосинтез

Поможет ли генная инженерия прокормить мир, зачем растениям солнцезащитные очки и как использовать табак во благо, объясняет Indicator.Ru.

Человечество стоит на пороге второй зеленой революции: биологи сделали фотосинтез табака более эффективным и тем самым увеличили его урожай.

Пустая трата энергии

Фотосинтез у растений — процесс старый как мир. Но это вовсе не значит, что он на сто процентов эффективен. Не всю поглощаемую световую энергию растения используют на фотосинтез, то есть не вся энергия света преобразуется в энергию химических связей органических соединений, которые синтезирует растение, чтобы жить и расти.

Когда молекула хлорофилла улавливает кванты света, или фотоны, она переходит из основного состояния в возбужденное. А когда эта молекула совершает обратный переход, высвобождаемая энергия может идти дальше по сложному пути фотосинтеза, а может рассеиваться в виде тепла или фотонов.

У растений тоже есть солнцезащитные очки

На ярком солнце листья растений получают гораздо больше солнечного света, чем им необходимо для фотосинтеза. И если растение не избавится от этой избыточной энергии, то его зеленые листья просто выцветут (фотосинтетический аппарат разрушится). Чтобы избежать такой печальной участи, растения рассеивают избыточную энергию в виде тепла. Этот механизм, известный под названием нефотохимическое тушение, растение использует при ярком солнце, как человек использует солнцезащитные очки.

Когда человек в солнцезащитных очках входит в помещение, ему требуется какое-то время, чтобы глаза адаптировались к освещению и можно было снять очки. Также и у растений: когда листья попадают в тень, то на отключение фотозащитного механизма и перестройку фотосинтетического аппарата требуется время, около получаса. В этой перестройке участвуют разные белки и пигменты, входящие в состав хлоропластов. В течение дня солнце может то заходить за облака, то появляться снова, листья могут попадать в тень других листьев. Растениям приходиться снова и снова «снимать» и «надевать» свои «солнцезащитные очки», что существенно снижает эффективность фотосинтеза.

Суперкомпьютеры надоумили ученых вставить кассету в табак

В 2004 году физиолог растений Стивен Лонг из Иллинойского университета в Урбане-Шампейне, используя суперкомпьютер из Национального центра суперкомпьютерных приложений, подсчитал, что долгое восстановление фотосинтетического аппарата растений после защитного механизма способствует тому, что растение производит на 30% меньше питательных веществ, чем могло бы. Естественно, это снижает урожайность сельскохозяйственных культур. Долгие лабораторные и полевые исследования позволили команде биологов во главе с Лонгом установить, что повышение концентрации трех белков в хлоропластах сможет ускорить выключение фотозащитного механизма.

С помощью методов генной инженерии ученые вставили в саженцы табака генную кассету, содержащую копии трех генов. По расчетам исследователей, это должно было увеличить экспрессию белков в хлоропластах, участвующих в перестройке фотосинтетической системы, и привести к более эффективному фотосинтезу. Биологи взяли гены из цветкового растения резуховидки Таля. Статья об исследовании ученых вышла в журнале Science.

«Получай, страна родная, наш обильный урожай!»

По флуоресценции хлорофилла ученые оценили, как быстро генномодифицированные саженцы восстанавливаются в тени. Оказалось, что ГМ-табак при слабом освещении быстрее «приходил в себя» после процесса нефотохимического тушения, чем немодифицированный. Биологи отобрали три наиболее продуктивных ГМ-кандидата и посадили их на грядку вместе с обычным табаком.

После 22 дней биологи обнаружили, что «потомство» трех ГМ-саженцев имело на 14-20% бо́льшую массу по сравнению с «потомством» немодифицированного табака. Табак выращивают ради его листьев — метод ученых привел к тому, что листья ГМ-табака стали больше. Хотя ученые еще не проверили устойчивость такого табака к стрессу и болезням, видимых побочных эффектов от эффективного фотосинтеза у растений не наблюдалось. Ученые не скрывают, что они планируют достичь такого же эффекта, но уже без использования чужих генов, так как не везде ГМО «легальны».

Главное — успеть к 2050 году

По прогнозам Продовольственной и сельскохозяйственной организации ООН, чтобы прокормить растущую численность населения, к 2050 году фермерам нужно будет поставлять на 70% больше продовольственных культур. Ведущий автор исследования сказал, что активно разрабатывать новые методы повышения урожайности нужно уже сейчас, потому что пока технология достигнет полей, может пройти 20 лет. Сейчас ученые пытаются повысить эффективность фотосинтеза у кукурузы и риса. Первая зеленая революция произошла в 1950-е годы, когда результаты трудов селекционеров стали активно воплощаться на грядках, и во всем мире производство растительной пищи резко возросло. Можно сказать, что сейчас человечество стоит на пороге второй зеленой революции.