Измененный метаболизм обеспечил растениям более быстрое улавливание углерода, более высокую урожайность и дополнительный потенциал производства топлива.
Schrenkiella parvula — галофит, способный процветать в чрезвычайно соленой среде (иллюстративное изображение)
Анадолу/Getty Images
Группа ученых из Тайваня разработала новый способ поглощения и использования растениями углекислого газа, что потенциально может изменить подход к борьбе с изменением климата.
Внедрив дополнительный биохимический цикл в модельное растение, исследователи усилили рост, урожайность семян и выработку жира, не увеличивая при этом потребность в воде.
Растения обычно используют цикл Кальвина-Бенсона-Бассама для связывания углекислого газа в органические соединения. Ключевой фермент этого цикла, Рубиско, известен своей неэффективностью. Это ограничение ограничивает количество углерода, которое растения могут зафиксировать.
Чтобы преодолеть эту проблему, тайваньские исследователи ввели новый путь, названный циклом малил-КоА-глицерата, или циклом МакГ.
В отличие от цикла Кальвина, он производит двухуглеродную молекулу, непосредственно используемую для синтеза липидов. Кроме того, он поглощает углерод в два этапа, что позволяет увеличить количество углерода за цикл.
Важно отметить, что цикл МакГ связан с циклом Кальвина, что позволяет обеим системам уравновешивать избыточные молекулы. Схема использует восемь реакций, все из которых управляются ферментами, существующими в природе, хотя и не встречающимися вместе у одного вида.
Испытания на модельном заводе
Группа ученых добавила гены цикла МакГ к Arabidopsis thaliana — небольшому сорняку, часто используемому в исследованиях растений.
Результаты оказались поразительными. Модифицированные растения выросли в два-три раза тяжелее контрольных. Они дали больше листьев, более крупные листья и больше семян.
«У растений с циклом МакГ увеличилось содержание липидов, урожайность семян и общая биомасса», — сказала Мадлен Сил, подводя итоги работы.
Радиоактивное отслеживание подтвердило, что захваченный углерод перешел в ожидаемые молекулы.
Визуализация также выявила наличие клеток, заполненных липидами. В некоторых случаях уровень триглицеридов повышался в 100 и более раз.
Эти улучшения наблюдались при различных условиях выращивания. Растения поглощали больше углерода, не потребляя больше воды, что является важным фактором для реальных применений.
Препятствия перед реальным использованием
Несмотря на обещания, исследователи предостерегают от поспешных выводов. Арабидопсис — это сорняк, пригодный для лабораторного выращивания, а не культура или дерево. Крупные растения могут по-разному реагировать на избыточное накопление липидов.
Богатая питательными веществами почва в лабораторных условиях также не отражает сложности полевых условий.
Другой вопрос — какая часть излишков углерода остаётся в целостности. Если липиды окисляются после гибели растения, значительная часть их пользы может исчезнуть.
Однако производство биотоплива может превратить этот путь в инструмент возобновляемой энергии, поскольку жиры можно преобразовать в топливо.
На данный момент исследование подтверждает концепцию. «Данная работа подтверждает концепцию улучшения фиксации углерода и роста растений без необходимости прямого изменения эффективности Рубиско», — сказал Сил.
Возможность перенастроить метаболизм растений — это важная веха. Учёные модифицировали цикл, действовавший миллиарды лет, и вместо того, чтобы разорвать его, добились процветания растений.
Исследование опубликовано в журнале Science.
Sourse: interestingengineering.com
