Несколько лет назад в животноводстве начали применять систему геномной оценки племенной ценности крупного рогатого скота. Это стало маленькой технологической революцией. Новый метод увеличил точность оценки больше чем на 40% и в три раза сократил минимальное время для получения племенного стада. Растениеводам оставалось только завидовать. Недавние исследования ученых из американского университета в штате Иллинойс, похоже, в недалеком будущем обеспечат аналогичную возможность для растениеводов. Ученые научились быстро определять и выделять высокоурожайные культуры с помощью скрининга растений по ключевым признакам.
Результаты своих исследований ученые представили в двух публикациях: в журналах PLANT, CELL & ENVIRONMENT и Journal of Experimental Botany. «Для растениеводов это важный шаг вперед», - сказала соавтор первого исследования Кэтрин Мичем-Хенсолд. – «Теперь мы можем быстро проверить тысячи растений, чтобы определить наиболее перспективные растения. А затем провести дальнейшее исследования перспективных растений с помощью другого метода, который дает более подробную информацию, но требует больше времени».
Исследования ученых из Иллинойского университета подкрепляются реализацией международного исследовательского проекта «Повышенная эффективность фотосинтеза» (RIPE). Проект направлен на создание более продуктивных продовольственных культур путем улучшения фотосинтеза - естественного процесса, используемого всеми растениями для преобразования солнечного света в энергию и урожайность. RIPE спонсируется Фондом Билла и Мелинды Гейтс, американским Фондом исследований в области продовольствия и сельского хозяйства (FFAR) и Департаментом международного развития правительства Великобритании (DFID). Основной целью проекта стала разработка способов повышения урожайности продовольственных культур за счёт создания более эффективных методов фотосинтеза.
Новый быстрый метод оценки продуктивности сельхозкультур основан на хорошо известных всем аграриям процессе фотосинтеза и применении гиперспектральной съемки. Специализированные гиперспектральные камеры активно используют на протяжении последних лет для мониторинга посевов сельскохозяйственных культур, а также для получения информации о появлении, развитии и распространении патогенов. Ученые из университета штата Иллинойс решили изучить часть светового спектра, отраженного от поверхности растений. Оказалось, что таким образом можно оценить особенности растения, связанные с фотосинтезом.
«Благодаря этим исследованиям наша команда сделала более доступной технологию создания и выращивания более высокоурожайных культур, - отметил Карл Бернакки, физиолог-исследователь растений из Министерства сельского хозяйства США.
Новые технологии позволяют оценивать особенности процесса фотосинтеза растения за 15 секунд вместо 30 минут при традиционном методе. Благодаря такой скорости в рамках проекта RIPE были проанализированы сотни растений в каждом полевом сезоне.
Чем могут завершиться эти исследования? Прибавкой урожайности сельхозкультур примерно на 40 процентов. Если удастся «подправив ошибки» в фотосинтезе, которые удалось обнаружить.
Учёные выяснили, что в ходе фотосинтеза важную роль играет фермент RuBisCO (рибулозобисфосфаткарбоксилаза). Однако этот фермент работает далеко не всегда эффективно. Другие ферменты могут работать с тысячами молекул, а RuBisCO «обрабатывает» лишь две-три. Кроме того, этот фермент часто не в состоянии различить углекислый газ и кислород. Подобные сбои случаются примерно в 20 процентах случаев. В результате происходит фотодыхание, своего рода анти-фотосинтез. Это значит, что растение тратит ресурсы, которые могли бы быть использованы для фотосинтеза и увеличения урожая. Считается, что у таких растений, как соя, рис и пшеница, фотодыхание может снижать эффективность определённых видов фотосинтеза на 20-50%.
Если фотосинтез «подправить» с помощью альтернативных наборов промоторов и генов, растение сможет получать те же результаты, затрачивая гораздо меньше энергии. «Подобно тому как Панамский канал стал инженерным успехом, позволившим повысить эффективность торговли, эти кратчайшие фотореспираторные пути стали достижением инженерии растений. Оно является уникальным средством значительного повышения эффективности фотосинтеза», – считает Стивен Лонг из RIPE.
«Подправленный фотосинтез» проверили на табачных культурах. Исследований показали, что растения с «подправленным фотосинтезом» вырастают выше, быстрее и производят на 40 процентов больше биомассы, чем их обыкновенные аналоги. Спроектированное фотодыхание тестировалось в реальных агрономических условиях. В будущем учёные хотят применить подобный метод к более распространённым продовольственным культурам: сое, рису, картофелю и томатам. Таким образом ученые надеются повысить урожайность этих культур. Впрочем, произойдет это не скоро.
«Мы могли бы ежегодно дополнительно накормить до 200 миллионов человек калориями, потерянными из-за фотодыхания на Среднем Западе США», – пояснил главный исследователь Дональд Орт из Института геномной биологии имени Карла Вёзе при Университете Иллинойса. По его словам, восстановление даже части этих калорий во всем мире сыграет важную роль в удовлетворении быстро растущего спроса на продукты питания.
Анна Кайпанау
При подготовке статьи использованы данные futurefarming.com, PLANT, CELL & ENVIRONMENT и Journal of Experimental Botany