Lai pabarotu pasauli, uzlabojiet fotosintēzi

BALTINĀTS SABATINI

Klusā siltumnīcā Ilinoisas centrā trakulīgs, bet mērķtiecīgs pētnieku pāris sēj eksperimentālos augus. Zinātnieki samitrina augsni un iesaiņo to podos, pēc tam uzmanīgi izspiež sīkas tumši brūnas tabakas sēklas no stikla flakoniem. Nākamajos mēnešos pētnieki pārvietos augus uz lauka un vēros, vai tie aug lielāki vai ātrāk nekā parasti, kas ir būtisks solis ceļā uz 2050. gada pasauli.

Šie tabakas augi ir izstrādāti fundamentālākā līmenī nekā tipiskās biotehnoloģijas kultūras. Veids, kādā viņi veic fotosintēzi, ir pielāgots, lai tie efektīvāk pārvērstu saules gaismu un oglekļa dioksīdu ogļhidrātos. Ja zinātnieki to darītu ar pārtikas kultūrām, jebkurš konkrētais zemes gabals varētu ražot vairāk pārtikas vai ražot tādu pašu pārtikas daudzumu, izmantojot mazāk ūdens un mēslojuma.

Šis stāsts bija daļa no mūsu 2017. gada septembra numura

• Skatiet pārējo izdevuma daļu
• Abonēt

Nepieciešamība ir steidzama. Apvienoto Nāciju Organizācija prognozē, ka, lai pabarotu pieaugošo iedzīvotāju skaitu, no šī brīža līdz 2050. gadam visā pasaulē lauksaimniecības ražībai ir jāpalielinās par 50 procentiem. Un šis ambiciozais mērķis neņem vērā klimata pārmaiņu ietekmi. Augi plaukst ar oglekļa dioksīdu, bet ļoti karstās dienas nomāc ražu. Daudzās pasaules daļās klimata pārmaiņu izraisītā temperatūras paaugstināšanās un pieaugošais sausums būs postošs. Un šī negatīvā ietekme visvairāk ietekmēs nabadzīgos, saka Stīvs Longs, projekta Realizing Increased Photosinthetic Efficiency (RIPE) direktors, starptautiska konsorcija, kas atrodas Ilinoisas Universitātē Urbana-Champaign.

RIPE projekts, ko finansē Bila un Melindas Geitsu fonds, sākas ar tabaku, jo to ir salīdzinoši viegli ģenētiski modificēt. Taču RIPE patiesais mērķis ir uzlabot pārtikas kultūru, piemēram, maniokas un govju zirņu, ražu, kas daudzās nabadzīgās valstīs ir nozīmīgi kaloriju un olbaltumvielu avoti. Un tas strādā pie daudz vērienīgākām izmaiņām augu vielmaiņā, nekā tas ir bijis iepriekš.

Agronomi fotosintēzi vēl nav nobīdījuši līdz robežām. Tas ir par spīti tam, ka šis 160 soļu bioķīmiskais process ir ļoti labi izpētīts un pārsteidzoši neefektīvs — augi mazāk nekā 5 procentus no saules gaismas enerģijas pārvērš biomasā. Vēl mazāku daļu no tā iegulda tajās augu daļās, kuras cilvēkiem patīk ēst: sēklās, bumbuļos, pupās. Mūsdienu lauksaimniecība ir ievērojami uzlabojusi ražu, pateicoties mēslošanas līdzekļiem, pesticīdiem un tradicionālajai audzēšanai. Tagad ieguvumus ir grūtāk iegūt. Tāpēc RIPE grupa ir vērsta uz augu metabolisma neefektivitāti. (Citi pētnieki izmēģina tās pašas idejas variantus; skatiet sadaļu 10 Breakthrough Technologies 2015: Supercharged Photosinthesis.)

Saistīts stāsts

Saistīts stāsts

Pagājušajā gadā RIPE pētnieki pirmo reizi pierādīja, ka ar inženierijas fotosintēzes palīdzību ir iespējams uzlabot ražu uz lauka. Palielinot trīs gaismas apstrādē iesaistīto gēnu ekspresijas līmeni, tie uzlaboja tabakas ražu par 20 procentiem.

Tagad RIPE komanda cenšas izmantot to pašu gēnu inženierijas triku, lai palielinātu ražu nepaklausīgākās pārtikas kultūrās. Padarīt to maniokā daļēji ir Amanda De Souza, postdoktore no Brazīlijas.

Fotosintēzes gēnu inženierija maniokā ir delikāts un ilgstošs process. De Souza atver Petri trauciņu, lai parādītu maniokas embrijus, gaiši dzeltenas kopas, kuru platums ir aptuveni milimetrs. Viņa tos audzē, izmantojot audus, kas noplūkti no pumpura uz pilngadīga maniokas auga. Šo šūnu kopu, ko sauc par kallusu, var inficēt ar baktērijām, kas satur gaismas apstrādes gēnus. Tikai dažas šūnas faktiski uzņems gēnus. Tie, kas to dara, tiks pakļauti hormonu kokteilim, kas liks viņiem izaudzēt stublāju un saknes.

Manokos šī ģenētiskā transformācija ilgst astoņus līdz desmit mēnešus, tas ir, ja viss norit labi. Citas galvenās pārtikas kultūras, tostarp rīsi un govju zirņi, ir nedaudz ātrākas.

Lejā gaitenī De Souza atver skapim līdzīgu telpu, ko pārpludina mākslīgā saules gaisma. Plauktos jauni maniokas augi aug plastmasas burkās, to saknes ieskauj barības vielu želeja, kas tiks noplūkta ar rokām, pirms augi varēs nonākt augsnē.

RIPE eksperimentālie lauki atrodas 10 minūšu brauciena attālumā no laboratorijām. Šajā valsts daļā fermās pārsvarā audzē sojas pupas un kukurūzu. Deividam Dragam, RIPE lauka izmēģinājumu vadītājam, ir jāizdomā, kā Ilinoisas centrālajā daļā var audzēt tādas kultūras kā manioka un rīsi. Vienā projektā līdzstrādnieks viņam palīdzēja uzbūvēt rīsu laukumu. Taču 2015. gadā viņš ar nožēlu atceras, ka viens no galvenajiem RIPE projektiem noslīka spēcīgā vēlās sezonas lietusgāzē, neskatoties uz komandas centieniem rakt tranšejas un aizsprostus. Gada darbs tika zaudēts — pazemojošs atgādinājums, ka pat vismodernākā lauksaimniecības zinātne joprojām ir dabas žēlastībā.

Šajā siltumnīcā konstruētie tabakas augi ir savienoti pārī ar maisiņiem, lai savāktu no tiem izmestās sēklas un izmantotu turpmākajos testos.

Pa kreisi: šis robots manevrē pa laukiem, lai izmērītu biomasu un citus augu augšanas aspektus.
Pa labi: šis aparāts, kas piestiprināts pie tabakas lapas, zondē auga vielmaiņu. Tas mēra temperatūru un mitrumu lapas virsmā un sifonē skābekli un citas lapas, ko izdala ķīmiskais analizators.

Šie jaunie maniokas augi ir ģenētiski izstrādāti, lai efektīvāk apstrādātu saules gaismu.

Pa kreisi: daži fotosintēzes molekulārās bioloģijas pamatpētījumi tiek veikti ar aļģēm Petri trauciņos. Pa labi: hlorofila karte augā, ko veido fluorescences attēlveidotājs.

Pa kreisi: fluorescences attēlveidotājs pakļauj augus spilgtas gaismas zibšņiem, lai noteiktu, cik ātri tie reaģē uz mainīgajiem gaismas līmeņiem.
Pa labi: skats fluorescences attēlveidotāja iekšpusē.

Šie eksperimenti ir palīdzējuši noskaidrot, ka tabakas augi dod lielāku ražu, ja tie var ātrāk izslēgt molekulāro sauļošanās līdzekļu ražošanu, kad gaismas līmenis samazinās. Augi, kas labi darbojas šajos eksperimentos, tiek izmantoti lauka izmēģinājumos.

paslēpties