Команда ученых из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне спроектировала картофель, который станет более устойчивым к глобальному потеплению, показав 30%-ное увеличение массы клубней в условиях аномальной жары. Эта адаптация поможет картофелеводческой отрасли продолжать свой вклад в продовольственную безопасность в тех регионах, где изменение климата уже повлияло на несколько сезонов урожая.
«Нам необходимо выращивать культуры, способные выдерживать более частые и интенсивные периоды сильной жары, если мы хотим удовлетворить потребности населения в продовольствии в регионах, наиболее подверженных риску снижения урожайности из-за глобального потепления», - заявила Кэтрин Мичем-Хенсолд, научный руководитель проекта «Реализация повышения эффективности фотосинтеза» (RIPE) в Университете Иллинойса.
«30%-ное увеличение массы клубней, наблюдаемое в ходе наших полевых испытаний, свидетельствует о перспективах улучшения фотосинтеза, что позволит выращивать культуры, устойчивые к изменению климата», подчеркнула она.
Мичем-Хенсолд руководила этой работой для RIPE - международного исследовательского проекта, цель которого - расширить глобальный доступ к продовольствию путем выведения продовольственных культур, которые более эффективно преобразуют солнечную энергию в продукты питания.
Фотодыхание - это фотосинтетический процесс, который, как было показано, снижает урожайность сои, риса и овощных культур до 40%. Фотодыхание происходит, когда Рубиско реагирует с молекулой кислорода, а не с CO2, что происходит примерно в 25% случаев в идеальных условиях, но чаще при высоких температурах. Растениям затем приходится использовать большое количество энергии для метаболизма токсичного побочного продукта, образующегося в результате фотодыхания (гликолята). Энергия, которая могла бы быть использована для большего роста.
«Фотодыхание - это большие энергетические затраты для растения, - поясняет Мичем-Хенсолд. – Оно отнимает у растения энергию для формирования плодов, поскольку она направляется на метаболизм токсина. Нашей целью было сократить количество энергии, теряемой впустую, обойдя исходный фотодыхательный путь растения».
Предыдущие работы команды RIPE показали, что, добавив два новых гена, гликолатдегидрогеназу и малатсинтазу, для моделирования путей растений, можно улучшить эффективность фотосинтеза. Новая генетика будет метаболизировать токсин (гликолат) в хлоропласте, отделе листа, ответственном за фотосинтез, вместо того, чтобы перемещать его через другие области клетки.
Поскольку экономия энергии привела к увеличению роста модельной культуры, то же самое ожидалось и для картофеля. Ученые не ошиблись: они увидели, что размер клубней утроился в условиях аномальной жары, которая становится все более частой и интенсивной по мере прогрессирования глобального потепления.
На опытном поле три недели полевого сезона 2022 года, когда картофель все еще находился в фазе раннего вегетативного роста, волна тепла удерживала температуру выше 35°C четыре дня подряд, дважды преодолев 38°C. После пары дней передышки температура снова взлетела до 38°C.
Вместо того чтобы засохнуть на жаре, отредактированный картофель увеличил массу на 30% больше, чем картофель контрольной группы, в полной мере используя свою повышенную термоустойчивость и эффективность фотосинтеза.
«Еще одной важной особенностью этого исследования стала демонстрация того, что наша генная инженерия фотосинтеза, которая привела к такому повышению урожайности, не оказала влияния на пищевые качества картофеля, - сказал Дон Орт, профессор биологии растений и наук о растениеводстве имени Роберта Эмерсона и заместитель директора проекта RIPE. - Продовольственная безопасность - не только количество производимых калорий, но мы также должны учитывать качество продуктов питания».
Для подтверждения выводов группы необходимы полевые испытания в различных местах в различных условиях, но обнадеживающие результаты по картофелю могут означать, что аналогичные результаты могут быть достигнуты и по другим корнеклубнеплодным культурам, таким как маниока - основной продукт питания в странах Африки к югу от Сахары, которые, как ожидается, сильно пострадают от повышения глобальной температуры.
Источник: University of Illinois at Urbana-Champaign.
На фото - Кэтрин Мичем-Хенсолд. Источник: RIPE Project/Кэтрин Мичем-Хенсолд.