«Большинство сельскохозяйственных культур страдают от фотодыхания, которое возникает, когда Рубиско – фермент, который управляет фотосинтезом – не может отличить жизненно важный углекислый газ от молекул кислорода, которые расходуют большое количество энергии растений», – сказал Джеймс Морони, профессор выпускников Streva в LSU и член организации "Реализация повышенной фотосинтетической эффективности" (RIPE). «В конечном счете, наша цель – разработать CCM в сельскохозяйственных культурах, чтобы окружить Рубиско большим количеством углекислого газа, что сделает его более эффективным и менее склонным к захвату молекул кислорода – проблема, которая, как показано, усугубляется при повышении температуры."
Под руководством Университета Иллинойса RIPE – это международный исследовательский проект, направленный на повышение продуктивности сельскохозяйственных культур за счет улучшения фотосинтеза при поддержке Фонда Билла и Мелинды Гейтс, U.S. Фонд продовольственных и сельскохозяйственных исследований (FFAR) и U.K.
Государственный департамент международного развития (DFID).
В то время как диоксид углерода относительно легко диффундирует через клеточные мембраны, бикарбонат (HCO3-) диффундирует примерно в 50 000 раз медленнее из-за своего отрицательного заряда. Зеленые водоросли Chlamydomonas reinhardtii, по прозвищу Chlamy, переносят бикарбонат через три клеточные мембраны в отсек, в котором находится Рубиско, называемый пиреноидом, где бикарбонат превращается обратно в диоксид углерода и фиксируется в сахар.
«Раньше мы не понимали, как бикарбонат преодолевает третий порог проникновения в пиреноид», – сказала Ананья Мукерджи, которая руководила этой работой в качестве аспиранта в LSU, прежде чем поступить в Университет Небраски-Линкольн в качестве исследователя с докторской степенью. «В течение многих лет мы пытались найти недостающий компонент, но оказалось, что на этом этапе задействованы три транспортных белка, которые были недостающим звеном в нашем понимании CCM Chlamydomonas reinhardtii."
«Несмотря на то, что известны другие транспортные белки, мы предполагаем, что они могут быть легче переданы культурам, потому что хламида более тесно связана с растениями, чем другие фотосинтетические водоросли, такие как цианобактерии или диатомовые водоросли», – сказал Люк Маккиндер, лектор из Йорка, который сотрудничал с команда RIPE в этой работе при поддержке Исследовательского совета по биотехнологии и биологическим наукам (BBSRC) и Leverhulme Trust.
Для создания функционального CCM в сельскохозяйственных культурах потребуются три вещи: отсек для хранения Rubisco, транспортеры для доставки бикарбоната в отсек и карбоангидраза для превращения бикарбоната в диоксид углерода.
В исследовании 2018 года коллеги из RIPE из Австралийского национального университета продемонстрировали, что они могут добавить в зерновые культуры отделение, называемое карбоксисомой, которая похожа на пиреноид.
Теперь это исследование завершает список возможных транспортных белков, которые могут доставлять бикарбонат извне клетки к этой карбоксисомной структуре в клетках листьев сельскохозяйственных культур.
«Наши исследования показывают, что создание функционального CCM в сельскохозяйственных культурах может помочь культурам сберечь больше воды и может значительно снизить энергозатратный процесс фотодыхания у сельскохозяйственных культур, который ухудшается с повышением температуры», – сказал Морони. "Выращивание устойчивых к климату сельскохозяйственных культур, способных более эффективно фотосинтезировать, будет иметь жизненно важное значение для защиты нашей продовольственной безопасности."
Реализация повышенной фотосинтетической эффективности (RIPE) – это разработка основных пищевых культур для более эффективного превращения солнечной энергии в пищу для устойчивого увеличения производства продуктов питания во всем мире при поддержке Фонда Билла и Мелинды Гейтс, США.S. Фонд продовольственных и сельскохозяйственных исследований и U.K.
Государственный департамент международного развития.