Международная группа ученых совершила открытие, которое в перспективе может коренным образом изменить сельское хозяйство. Исследователи обнаружили у редкой группы наземных растений — печеночников — уникальный молекулярный механизм, позволяющий им гораздо эффективнее превращать солнечный свет в питательные вещества. Это открывает путь к генетической модификации таких важнейших культур, как пшеница и рис, для значительного повышения их урожайности за счет преодоления ключевого недостатка фотосинтеза.
Проблема кроется в работе фермента Рубиско, который отвечает за усвоение углекислого газа из воздуха. Несмотря на свою фундаментальную роль для всей жизни на Земле, Рубиско работает медленно и часто ошибочно связывается с молекулами кислорода. Это приводит к запуску процесса фотодыхания: расщеплению ранее фиксированного углерода, затратам энергии на переработку токсичных промежуточных продуктов и чистым потерям CO2. В итоге происходят огромные потери энергии, что тормозит рост растений. Ученые давно ищут способы "починить" этот несовершенный, но жизненно важный фермент, черпая идеи у других организмов. Помимо водорослей, механизмы концентрирования углерода широко распространены у цианобактерий, использующих карбоксисомы, а также у многих растений с С4- и САМ-фотосинтезом, таких как кукуруза и кактусы, которые пространственно или временно разделяют фиксацию углерода, чтобы повысить его концентрацию вокруг Рубиско.
Прорыв произошел, когда внимание исследователей из Бойс Томпсон Института, Корнеллского и Эдинбургского университетов привлекли печеночники. Это единственные известные наземные растения, у которых, как и у водорослей, есть специальные клеточные отделы для концентрирования углерода. Ученые ожидали найти у них схожий с водорослями механизм, но реальность оказалась иной. Вместо отдельного белка, собирающего молекулы Рубиско вместе, печеночники модифицировали сам фермент.
Ключевым элементом оказался необычный белковый компонент, названный RbcS-STAR. Рубиско состоит из крупных и мелких субъединиц. У печеночников одна из мелких субъединиц обзавелась дополнительным "хвостом" — STAR-регионом. Этот хвост ведет себя как "молекулярная липучка": он заставляет множество молекул Рубиско сцепляться друг с другом, образуя плотные скопления внутри клетки, что повышает эффективность работы фермента.
Самое многообещающее в этом открытии — универсальность механизма. Ученые успешно перенесли ген, кодирующий RbcS-STAR, в родственный вид печеночника, у которого нет естественной системы концентрирования, и Рубиско сразу же начал формировать кластеры. Затем тот же эксперимент повторили на широко используемом в исследованиях растении — резуховидке Таля (Arabidopsis), и эффект повторился: фермент сконцентрировался внутри хлоропластов. Это доказывает, что STAR-компонент может работать в разных растительных системах.
Однако исследователи подчеркивают, что кластеризация Рубиско — это лишь первый шаг. Чтобы система работала на полную мощность, растению необходимо также эффективно доставлять углекислый газ к этим скоплениям фермента. Одна из авторов работы, Лаура Ганн, образно сравнила это с постройкой дома без продуманной системы вентиляции. Сейчас команда как раз работает над решением этой второй, не менее важной задачи.
Несмотря на предстоящую работу, открытие механизма STAR является огромным шагом вперед в усилиях по улучшению фотосинтеза. Даже небольшое повышение его эффективности может привести к значительному росту урожайности и снижению экологического следа сельского хозяйства. Это критически важно для устойчивого производства продовольствия для растущего населения планеты. Природа уже изобрела ingenious решения, и теперь задача ученых — адаптировать эти находки для питания мира.
Источник: Scientists discover tiny plant trick that could supercharge crop yields