Дослідники: завдяки біоінженерії фотосинтез підвищив врожайність сільськогосподарських культур

Наукові працівники з Ланкастерського університету під керівництвом Університету Іллінойсу вперше довели, що мультигенна біоінженерія фотосинтезу підвищує врожайність основної продовольчої культури під час польових випробувань.

Після більш ніж десяти років роботи над дослідженням та проєктом RIPE команда вчених трансгенно змінила рослини сої, щоб підвищити ефективність фотосинтезу, що призвело до більшої врожайності – понад 20% без втрати якості.

“Реалізація підвищеної фотосинтетичної ефективності” або RIPE — це міжнародний дослідницький проєкт, який спрямований на збільшення глобального виробництва продуктів харчування шляхом підвищення ефективності фотосинтезу продовольчих культур для дрібних фермерів у країнах Африки на південь від Сахари за підтримки Фонду Білла та Мелінди Гейтс, Фонду дослідження харчових продуктів та сільського господарства, а також Міністерства закордонних справ, співдружності та розвитку Великобританії.

Фотосинтез — природний процес, який усі рослини використовують для перетворення сонячного світла в енергію та формування врожаю, є напрочуд неефективним. Над вдосконаленням цього процесу дослідники RIPE працюють понад десять років. У цій першій у своєму роді роботі, нещодавно опублікованій у Science, група вдосконалила конструкцію VPZ у рослині сої для покращення фотосинтезу, а потім провела польові випробування, щоб побачити, чи підвищиться врожайність.

Конструкція VPZ містить три гени, які кодують білки ксантофілового циклу, який є пігментним циклом, який допомагає у фотозахисті рослин. Після повного сонячного світла цей цикл активується в листках, щоб захистити їх від пошкоджень, дозволяючи їм розсіювати надлишок енергії. Однак, коли листя затінене (іншим листям, хмарами або рухом сонця), фотозахист повинен вимкнутися, щоб продовжувався процес фотосинтезу з запасом сонячного світла. Рослинам потрібно кілька хвилин, щоб вимкнути захисний механізм, що коштує їм дорогоцінного часу, який міг би бути використаний для фотосинтезу.

Надмірна експресія трьох генів конструкції VPZ прискорює процес, тому щоразу, коли листок переходить зі світла на тінь, фотозахист вимикається швидше. Листя отримує додаткові хвилини фотосинтезу, який прискорюється протягом усього вегетаційного періоду. Під час даного дослідження стало також відомо, що попри збільшення врожайності більш ніж на 20%, якість насіння не змінилася.

″Попри вищу врожайність, вміст протеїну в насінні не змінився. Це свідчить про те, що деяка додаткова енергія, отримана від покращеного фотосинтезу, ймовірно, була спрямована на азотфіксуючі бактерії в бульбочках рослин», – сказав директор RIPE Стівен Лонг з кафедри рослинництва та біології рослин Інституту Карла Р. Возе в Іллінойсі.

Спершу дослідники випробували свою ідею на рослинах тютюну через легкість трансформації генетики культури та кількості насіння, яке можна отримати з однієї рослини. Ці фактори дозволяють дослідникам протягом кількох місяців перейти від генетичної трансформації до польових випробувань. Після того, як концепція була доведена на рослинах тютюну, вони перейшли до складнішого завдання — впровадження генетики в сою.

«Оскільки зараз ми продемонстрували дуже значне збільшення врожайності двох дуже різних культур, таких як тютюн та соя, це свідчить про універсальне застосування. Наше дослідження показує, що на підвищення врожайності сильно впливає навколишнє середовище. Важливо визначити повторюваність цього результату в різних середовищах і подальші вдосконалення, щоб забезпечити екологічну стабільність», — зазначив пан Лонг.

Цього року проводяться додаткові польові випробування цих трансгенних рослин сої, результати яких очікуються на початку 2023 року.

RIPE очолює Університет штату Іллінойс у партнерстві з Австралійським національним університетом, Академією наук Китаю, Науково-промисловою дослідницькою організацією Співдружності, Університетом Ланкастера, Університетом штату Луїзіана, Університетом Каліфорнії, Берклі, Кембридзьким університетом, Університетом Ессексу та Міністерством сільського господарства США, Служби сільськогосподарських досліджень.