Повышение эффективности фотосинтеза сельскохозяйственных культур может улучшить урожайность. Генетическая манипуляция показала, что фотосинтез можно улучшить, ускорив релаксацию фотозащитных механизмов во время переходов от солнца к тени, но при помощи традиционной селекции такие новые сорта сои не создать.
Группа ученых из Иллинойсского университета пришла к выводу, что улучшить ключевой компонент фотосинтеза сои с помощью традиционных методов селекции вряд ли удастся, и что редактирование генов, скорее всего, является ключом к раскрытию потенциала сои. Исследование опубликовано в журнале The Plant Journal.
«Не так уж много возможностей улучшить эффективность сбора света фотосинтезом сои на клеточном уровне, используя то, что доступно естественным путем из традиционной селекции. Если люди собираются следовать этой стратегии, то это действительно должно быть либо редактирование генов, либо трансгенные подходы», - сказал Стивен Берджесс, доцент кафедры биологии растений в Университете Иллинойса.
Хотя фотосинтез, естественный процесс, который все растения используют для преобразования солнечного света в энергию и урожайность, лежит в основе жизни растений на протяжении миллионов лет, он не оптимизирован для современных сельскохозяйственных систем. Это связано с тем, что дикие виды не эволюционируют для максимизации урожайности и обычно сталкиваются с рядом экологических проблем, таких как вредители или ограничения питательных веществ, которые смягчаются современными агрономическими методами.
Фотозащита, которую Берджесс описал как «способность растений безопасно избавляться от избыточной энергии», играет важную роль: «Когда листья растения поглощают слишком много солнца, часто из-за длительного воздействия в солнечные дни, эта избыточная энергия может нанести вред потенциалу роста растения, если она не утилизируется правильно или если просто вырабатывается слишком много энергии. Фотозащита необходима для предотвращения повреждения растений под сильным светом. Однако, когда растения оказываются в тени, будь то облака или другие листья, они часто не спешат ее выключать. Это означает, что они теряют потенциальную энергию, которую можно было бы использовать для роста. Предыдущие компьютерные модели и трансгенные исследования предполагали, что можно ускорить этот процесс, увеличив общую энергию, доступную для растения. Мы хотели проверить, сможем ли мы подтвердить эти прогнозы».
Эта работа проводилась в рамках проекта «Повышение эффективности фотосинтеза» (RIPE), международного исследовательского проекта, целью которого является увеличение мирового производства продовольствия путем выведения продовольственных культур, которые более эффективно преобразуют солнечную энергию в продукты питания.
Берджесс и его команда в течение трех лет сажали, собирали и анализировали полевые испытания, наблюдая за всеми стадиями развития различных сортов сои, чтобы лучше понять, как все работает и что меняется в течение вегетационного периода.
«Никто раньше не рассматривал, насколько велики вариации в ослаблении фотозащиты для традиционной селекции сои», - сказал Берджесс, бывший главный исследователь проекта RIPE. «Кроме того, большинство измерений, проведенных на других видах, обычно проводились в контролируемых условиях, а не в полевых условиях, что имеет решающее значение из-за огромного влияния окружающей среды на фотосинтез», пояснил он.
Роль окружающей среды - вот почему подробные измерения команды на протяжении всего сезона роста были так важны. Они собрали данные об общем количестве и скорости релаксации фотозащиты в шести временных точках в различных точках развития растений, а также ключевые данные об окружающей среде, такие как осадки, температура, часы солнечного света и потенциал испарения.
Наблюдение за тем, как различные генотипы сои сравнивались в разное время и в разных условиях, дало ученым наилучшую общую картину того, как эта генетика будет работать в других областях и средах.
Источник: University of Illinois at Urbana-Champaign.
Команда проекта RIPE определила с помощью анализа измерений полевых испытаний, что существенное улучшение фотосинтеза сои с помощью традиционных методов селекции маловероятно. Редактирование генов может стать ключом к раскрытию потенциала сои. Фото: проект RIPE / Дэнни Готаркар.