Programowanie fotosyntezy od nowa w celu zwiększenia wydajności upraw
Fotosynteza – proces, w którym rośliny, glony i niektóre bakterie wykorzystują światło słoneczne, wodę i dwutlenek węgla (CO2) do produkcji własnego pożywienia – ma fundamentalne znaczenie dla życia na Ziemi. Proces ten ma również kluczowe znaczenie dla utrzymania odpowiedniego poziomu tlenu w atmosferze. Co ciekawe, mechanizmy fotosyntezy zmieniały się na przestrzeni dziejów, gdy poziom CO2 na Ziemi był znacznie wyższy. Przez miliony lat poziom CO2 obniżał się, częściowo w wyniku aktywności roślin (tlen jest produktem ubocznym fotosyntezy). W rezultacie proces ten nie jest tak wydajny jak kiedyś.
Bezpieczeństwo i jakość żywności
Jednym z powodów, dla których fotosynteza wzbudziła ciekawość naukowców, są rosnące na całym świecie obawy o bezpieczeństwo i jakość żywności. Zmiany klimatu wpływają na praktyki rolnicze, a w wielu regionach na świecie poszukuje się sposobów na wydajne i zrównoważone zwiększenie biomasy w celu wyżywienia rosnącej liczby ludności. Stąd pomysł na poprawę wydajności fotosyntezy roślin. „Ludzie pracują nad tym od dziesięcioleci”, wyjaśnia koordynator projektu PhotoBoost(odnośnik otworzy się w nowym oknie) Stefan Schillberg z instytutu Fraunhofer IME(odnośnik otworzy się w nowym oknie) w Niemczech. „Jednym z obszarów zainteresowania był RuBisCO, główny enzym odpowiadający za fotosyntezę, który przekształca dwutlenek węgla w cukry, ale także reaguje z tlenem, co prowadzi do strat energii”. Celem zespołu projektu PhotoBoost była poprawa wydajności tego mechanizmu poprzez manipulowanie enzymami zaangażowanymi w fotosyntezę. Badacze zastosowali szereg metod z zakresu biologii syntetycznej i inżynierii metabolicznej, w tym mechanizm koncentracji węgla w glonach oraz mechanizm wychwytywania tlenu.
Większe zbiory ziemniaków i ryżu
Jedną ze skutecznych metod okazała się manipulacja mechanizmem koncentracji węgla z udziałem różnych enzymów i białek. Zidentyfikowano łącznie cztery białka, z których jedno w szczególności stało się przedmiotem dalszych badań. Ostatecznym celem była znaczna poprawa wydajności fotosyntezy w celu zwiększenia biomasy, zwłaszcza w tych częściach roślin, które są spożywane przez ludzi, takich jak bulwy ziemniaka i ziarna ryżu. „Istotne dla nas było to, aby zademonstrować te techniki nie tylko w szklarniach, ale także na otwartym polu”, mówi Greta Nölke, główna naukowczyni zaangażowana w projekt PhotoBoost. „Próby terenowe przeprowadzono w Niemczech, Hiszpanii i na Filipinach”. W ramach projektu udało się zademonstrować wzrost plonów znacznie przewyższający ten osiągnięty dzięki konwencjonalnym metodom uprawy. W warunkach zbliżonych do polowych najbardziej obiecujące ulepszenie fotosyntezy przełożyło się na wzrost plonów ziemniaka nawet o 42%, a ryżu – do 33%.
Rozwój rolnictwa odpornego na zmiany klimatu
Wyniki te pokazują, że fotosynteza może być z powodzeniem „przeprogramowana” przy użyciu biotechnologii, zapewniając znaczną, stabilną poprawę plonów. Podobne rozwiązania mogą pewnego dnia zostać wykorzystane do wsparcia rolnictwa odpornego na zmiany klimatu, umożliwiając wyższą produktywność w obliczu zmian klimatu i rosnącego globalnego popytu na żywność. W kolejnym kroku badacze będą dążyli do przeniesienia strategii poprawy fotosyntezy na inne uprawy. Jednym z przykładów jest wspięga wężowata – roślina strączkowa będąca podstawą diety, uprawiana w niektórych częściach Afryki – która jest obecnie przedmiotem nowego projektu wspieranego przez Gates Agricultural Innovation. „Jesteśmy również zainteresowani analizą efektów tej technologii w terenie”, mówi Schillberg. „Gdybyśmy zaczęli uprawiać rośliny z większą ilością biomasy, jak przełożyłoby się to na zużycie wody, składników odżywczych i nawozów? Co by to oznaczało dla jakości odżywczej?”. Schillberg i jego zespół chcą kontynuować badania w tym kierunku, mając na uwadze długoterminową perspektywę zrównoważonego rozwoju globalnego rolnictwa.
