Исследователи многих научных центров, в том числе университета Вагенингена, изучают различные способы повышения урожайности сельхозкультур. Одна их таких возможностей – более эффективное использование света для роста растений. Оказывается, что хорошо известный, но не до конца изученный процесс фотосинтеза может стать одним из ресурсов повышения урожайности.

Анализируя имеющиеся знания о процессе фотосинтеза, селекционеры полагают, что смогут выращивать культуры, которые более эффективно будут использовать почву, воду и питательные вещества.

Растения, как известно, получают энергию от солнечного света. С ее помощью их хлоропласт превращает воду и углекислый газ в кислород и глюкозу. Собственно, глюкоза, как органическое вещество, и помогает растению развиваться. По замечанию Марка Аартса, профессора генетики растений, сам фотосинтез существует около двух миллионов лет, и, у ученых сложилось представление о том, что он полностью развит и растения используют его с максимальной для себя пользой. Оказывается, это не совсем так. Похоже, что растения реально воспринимают не более 0,5–1% доступного им солнечного света. При этом, некоторые из них, такие как, например, серая горчица (Hirschfeldia incana), используют дар солнца гораздо лучше, чем другие.

Серая горчица – это, как известно, название сорта капусты. Существует даже голландское выражение «расти как капуста», подразумевающее быстрый рост чего-либо. Наблюдения ученых за ее ростом заставили предположить, что в капусте содержится вещество, позволяющее ей исключительно эффективно использовать фотосинтез. Серая горчица в этом отношении весьма напоминает пустынные растения. Как известно, когда в пустыне идет дождь, растения должны немедленно давать всходы и расти с максимальной скоростью.

Генетическая изменчивость

Ученые обратили серьезное внимание на это явление около десяти лет тому назад. Они не только убеждались, что различные виды растений по-разному относятся к фотосинтезу, но и видели, что отдельные растения одного и того же вида отличаются друг от друга в этом отношении. В дальнейшем, используя естественные генетические вариации, для них становилось возможным существенно улучшить процесс фотосинтеза.

Профессор Аартс и его коллеги также изучали кресс-салат (Arabidopsis thaliana). Ученым из Вагенингена удалось заменить хлоропласт одного растения кресс-салата другим без каких-либо изменений генетического материала хромосом. Благодаря этому новому методу, исследователи могли сравнивать оригинальные растения с растениями, имеющими «новые» хлоропласты. Некоторые из «обновленных» сочетаний хлоропластов, как оказалось, формируют растения с улучшенными показателями роста по сравнению с исходными природными свойствами.

Такое новаторское понимание сущности природных процессов позволяет селекционерам уже сегодня выводить культуры, обеспечивающие более высокие урожаи. Ученые-экспериментаторы уверены, что смогут в будущем вывести растения, способные использовать до полутора процентов доступного им солнечного света вместо нынешних полпроцента.

Больше энергии

Пока ученые даже не знают точно всех особенностей использования солнечной энергии растениями. На нынешнем этапе исследования только подтверждено, что более высокая скорость фотосинтеза приводит к увеличению листьев и может становиться причиной развития более длинных и толстых корней или более обильного цветения.

Чтобы расширить свои знания о процессе фотосинтеза, исследователи университета Вагенингена в настоящее время работают над генетическими вариациями проса, томатов и кукурузы. Надо сказать, что уже начальный этап наблюдений значительно увеличил круг возможных представлений.

Сложилось, например, отдельное направление исследований: выявление закономерностей реакции растений на свет. Наблюдения показали, что в случае обилия солнечного света, немалая его часть не используется растениями для фотосинтеза, а излучается во внешнюю среду в виде тепла.  Этот процесс носит название «нефотохимическое тушение». И он вполне полезный, - поскольку предотвращает повреждение белков фотосинтеза солнечным светом. Но, замечено, что в частично пасмурные дни растения склонны проявлять осторожность и использовать эту свою способность для снижения скорости фотосинтеза. В итоге процесс фотосинтеза становится гораздо менее эффективным, чем мог бы быть. Как именно работает этот механизм, какие белки задействованы и куда уходит энергия? На эти вопросы ученым еще предстоит ответить.

Изменить потоки света

Нидерландская организация по научным исследованиям с недавнего времени также финансирует исследования нефотохимического тушения, проводимые под руководством профессора Аартса.  Организация недавно одобрила сотрудничество этой группы ученых в своей работе с коллегами из университетов Утрехта, Амстердама и США. К исследованиям буду привлечены и селекционные компании с целью изучения вопроса реакции растений на изменение условий освещения. Предстоит выявить, какие гены ответственны за восприятие растениями освещения и есть ли в этом отношении какие-либо генетические вариации. После этого участники проекта должны будут определить, как эти гены влияют на реакцию растений на различные изменения внешних условий и регулируют функцию нефотохимического тушения, не повреждая растения.

Отбирать лучшие

В России накоплен значительный опыт исследований фотосинтеза и его роли в повышении урожайности культур. Однако, российские исследователи считают, что зависимость между фотосинтезом и общей продуктивностью растительного организма и урожаем, далеко не такая простая. Вопрос о связи между фотосинтезом и урожаем растений изучал профессор А. А. Ничипорович. Основной задачей разработок в области фотосинтеза, по его мнению, является сохранение и поддержание на более высоком уровне фотосинтетической деятельности естественной растительности, максимальное повышение фотосинтетической продуктивности культурных растений.

При этом на практике важную роль играет селекционный отбор сортов сельскохозяйственных растений, характеризующихся более высокой интенсивностью световых реакций. В качестве практических мер более эффективного использования солнечной энергии предлагалось располагать растения на оптимальном расстоянии друг от друга. Ученые подчеркивали, что в изреженных посевах значительная часть света пропадет зря, а вот в загущенных растения затеняют друг друга, их стебли становятся длинными и ломкими, легко полегающими от дождя и ветра. В том и другом случае происходило снижение урожая.

Российские, голландские, американские исследователи продолжают работать над увеличением активности фотосинтетического аппарата растений. Исследователи уверены, что этот метод позволит уже в ближайшие годы не только повысить урожайность, но и выращивать безопасные и качественные зерно, овощи, фрукты и зелень. 

Владимир Францкевич

При подготовке статьи использованы данные wur.eu