Настройка фотосинтеза, чтобы накормить мир

"Исправление недостатков" в фотосинтезе может помочь повысить продуктивность наших самых важных агрокультур

В какой-то момент в школе вы, вероятно, узнали о фотосинтезе — как растения используют энергию солнечного света для преобразования углекислого газа и воды в пищу. Этот замечательный процесс отвечает практически за всю жизнь на земле, обеспечивая нас необходимой энергией и кислородом, которым мы дышим.

Но вы, возможно, не слышали, что фотосинтез имеет некоторые недостатки.

Оказывается, растения довольно неэффективны, когда речь заходит об использовании солнечной энергии. Только часть солнечного света, падающего на растение, в конечном итоге подпитывает его рост, что означает, что наши культуры производят гораздо меньше пищи, чем могли бы.

Международная группа исследователей стремится исправить это, давая фотосинтезу настройку. В случае успеха их исследования, как ожидается, удвоят урожайность некоторых из наших самых важных культур-таких как рис, кукуруза, коровья капуста, соя и маниока.

Это был бы очень необходимый прорыв, потому что мир сталкивается с кризисом за обеденным столом. С ростом населения и изменениями в рационе питания — например, повышением спроса на большее количество мяса, поскольку люди получают более высокие доходы — нам нужно будет производить на 60-70 процентов больше продуктов питания к 2050 году. В то же время изменение климата создает дополнительную нагрузку на наше продовольственное снабжение из-за неустойчивых осадков, сильных засух и распространения вредителей и болезней сельскохозяйственных культур.

Наибольшему риску голода в предстоящие годы подвергаются самые бедные люди в мире. Они живут в регионах с высоким ростом населения и часто полагаются на сельское хозяйство, чтобы прокормить свои семьи и получить доход.

Ни одно решение не решит этот глобальный продовольственный кризис. Нам нужно будет развивать инновации во всех областях сельского хозяйства, чтобы повысить производительность труда. Нужны улучшенные сорта семян для культур, устойчивых к засухе, наводнениям, вредителям и болезням. Улучшение данных, чтобы помочь фермерам более эффективно управлять своими культурами и скотом. И некоторые изменения и открытия, которые приведут к большим урожаям.

Вот почему наш фонд вместе с американским Фондом исследований в области продовольствия и сельского хозяйства и Департаментом международного развития правительства Великобритании инвестирует в глобальные усилия по повышению эффективности фотосинтеза. Эта исследовательская программа, известная как реализация повышенной фотосинтетической эффективности или зрелости, проводится университетом Иллинойса.

Ученые начали свои исследования с моделирования всего 170-ступенчатого химического процесса превращения солнечного света в энергию. Используя компьютерное моделирование, они исследовали, какие изменения могут привести к наибольшему увеличению производительности — точно так же эксперт по эффективности может улучшить производственную линию автомобиля, чтобы максимизировать выпуск.

Одним из перспективных направлений исследований является повышение эффективности поглощения растениями солнечного света. В то время как свет необходим для выживания растения, слишком много света высокой интенсивности может привести к повреждению растения. Чтобы защитить себя, растения разработали механизмы, позволяющие откачивать часть солнечной энергии в виде тепла, когда они находятся под прямыми солнечными лучами. Но это создает проблему, когда солнце заходит за облако и растение находится в тени. Защитный механизм растения не приспосабливается быстро к пониженному освещению, подавляя процесс фотосинтеза в течение нескольких минут, а иногда и часов. Исследователи обнаружили способ ускорить этот переход, позволив растению продолжать фотосинтез даже при колебаниях освещенности.


Другая важная область исследований связана с ферментом, известным как рубиско, который захватывает углекислый газ и превращает его в сахар для растений. Некоторые исследователи работают над ускорением активности рубиско в растении, что приведет к повышению урожайности сельскохозяйственных культур.

Другие исследователи пытаются исправить неэффективность, созданную рубиско: ему трудно отличить углекислый газ от кислорода. Таким образом, примерно в 20 процентах случаев рубиско случайно захватывает молекулу кислорода вместо молекулы углекислого газа. Это приводит к образованию смеси которая должна быть проведена через процесс известный как photorespiration. Фотореспирация — это долгий и сложный процесс, стоящий растению энергии и ресурсов, которые оно могло бы использовать для роста. Чтобы решить эту проблему, исследователи разработали альтернативный путь, позволяющий значительно сократить процесс фотореспирации и сэкономить энергию. При тестировании в лаборатории это исправление увеличило рост растений до 40 процентов.

Большая часть полевых испытаний этих усовершенствований фотосинтеза была проведена с использованием растений табака. В то время как табачные растения не являются пищевыми культурами, они являются удобным доказательством концепции культуры, потому что они легко трансформируются генетически, и они производят большое количество семян, сокращая циклы тестирования. На следующем этапе исследований ученые работают над переносом этих новых генетических признаков на пищевые культуры, включая коровью капусту, маниоку и сою.

Тем не менее, эти высокоурожайные культуры находятся на расстоянии многих лет от выращивания на фермах по всему миру. И они должны были бы пройти тесты безопасности, чтобы получить потребительское признание. Я в восторге от прогресса, достигнутого командой RIPE, и с нетерпением жду возможности услышать больше об их открытиях в будущем.

Оригинал  https://www.gatesnotes.com/Development/Tuning-up-photosynthesis-to-feed-the-world