Группа ученых идентифицировала ген в тополях, который усиливает фотосинтез и увеличивает высоту деревьев, и собирается провести аналогичные эксперименты на различных сельхозкультурах.
Исследование «Сиротский ген BOOSTER усиливает эффективность фотосинтеза и продуктивность растений» опубликовано в Developmental Cell и стало результатом сотрудничества Центра передовой биоэнергетики и инноваций в области биопродуктов при Иллинойсском университете в Урбане-Шампейне и Центра биоэнергетических инноваций при Национальной лаборатории Оук-Ридж.
Хлоропласты являются основными структурами клеток, в которых размещается фотосинтетический аппарат, преобразующий энергию света в химическую энергию, которая питает рост растений. В частности, белок Рубиско захватывает углекислый газ из атмосферы. Ученые годами работали над способами увеличения количества Рубиско в растениях для повышения урожайности и поглощения атмосферного CO 2.
«Исторически многие исследования были сосредоточены на стационарном фотосинтезе, где каждое условие сохраняется постоянным. Однако это не является репрезентативным для полевой среды, в которой свет может все время меняться, - говорит сказал Стивен Берджесс, доцент кафедры интегративной биологии в Иллинойсе. - За последние несколько лет эти динамические процессы считались более важными и не до конца изученными».
В новом исследовании ученые сосредоточились на тополе, поскольку это быстрорастущая культура и ведущий кандидат для производства биотоплива и биопродуктов. Они отобрали около 1000 деревьев на открытых исследовательских участках и проанализировали их физические характеристики и генетический состав, чтобы провести исследование ассоциаций по всему геному. Команда искала гены-кандидаты, которые были связаны с так называемым «фотосинтетическим тушением», процессом, который регулирует, как быстро растения приспосабливаются между солнцем и тенью и рассеивают избыточную энергию от слишком большого количества солнца, чтобы избежать повреждений.
Один из генов, который исследователи назвали BOOSTER, оказался необычным, поскольку он уникален для тополя и, хотя находится в ядерном геноме, содержит последовательность, которая произошла от хлоропласта.
Команда обнаружила, что этот ген способен увеличивать содержание Рубиско и последующую фотосинтетическую активность, что приводит к более высоким полярным растениям при выращивании в тепличных условиях. В полевых условиях ученые обнаружили, что генотипы с более высокой экспрессией BOOSTER были на 37% выше, увеличивая биомассу на растение.
Команда также ввела BOOSTER в модельное растение резуходвидку Таля, что привело к увеличению биомассы и производства семян. Это открытие указывает на более широкую применимость BOOSTER для потенциального повышения урожайности других растений.
«Это захватывающий первый шаг, хотя это эксперименты небольшого масштаба, и предстоит проделать большую работу, если мы сможем воспроизвести результаты в больших масштабах, этот ген может потенциально увеличить производство биомассы в сельскохозяйственных культурах», - сказал Берджесс.
Следующие шаги в исследовании включают тестирование на других биоэнергетических и пищевых растениях, при этом исследователи будут регистрировать продуктивность растений в различных условиях выращивания для анализа долгосрочного успеха. Они также будут изучать другие гены, которые были идентифицированы в исследовании, для повышения и улучшения урожая.
Источник: University of Illinois at Urbana-Champaign. Авторы: Ананья Сен, Стефани Сей.
На фото вы видите, что Бирук Фейисса из ORNL держит пятимесячный тополь, экспрессирующий высокий уровень гена BOOSTER, а его коллега Веллингтон Мучеро держит дерево того же возраста с более низкой экспрессией гена.
Автор фото: Женевьева Мартин/ORNL, Министерство энергетики США.