Planter er fabrikker, der fremstiller udbytte fra lys og kuldioxid - men dele af denne komplekse proces, kaldet fotosyntese, er hæmmet af mangel på råmaterialer og maskineri. For at optimere produktionen har forskere fra University of Essex løst to store fotosyntetiske flaskehalse for at øge planteproduktiviteten med 27 procent under virkelige markforhold, ifølge en ny undersøgelse offentliggjort i Nature Plants. Dette er det tredje gennembrud for forskningsprojektet Realizing Increased Photosynthetic Efficiency (RIPE); dog har dette fotosyntetiske hack også vist sig at spare på vandet.
"Som en fabrikslinje er planter kun så hurtige som deres langsomste maskiner," sagde Patricia Lopez-Calcagno, en postdoc-forsker ved Essex, der ledede dette arbejde for RIPE-projektet. "Vi har identificeret nogle trin, der er langsommere, og det, vi gør, er at sætte disse anlæg i stand til at bygge flere maskiner for at fremskynde disse langsommere trin i fotosyntesen."
RIPE-projektet er en international indsats ledet af University of Illinois for at udvikle mere produktive afgrøder ved at forbedre fotosyntesen - den naturlige, sollysdrevne proces, som alle planter bruger til at binde kuldioxid til sukkerarter, der fremmer vækst, udvikling, og i sidste ende give. RIPE er støttet af Bill & Melinda Gates Foundation, U. S. Foundation for Food and Agriculture Research (FFAR) og den britiske regerings departement for international udvikling (DFID).
En fabriks produktivitet falder, når forsyninger, transportkanaler og pålideligt maskineri er begrænset. For at finde ud af, hvad der begrænser fotosyntesen, har forskere modelleret hvert af de 170 trin i denne proces for at identificere, hvordan planter kan fremstille sukker mere effektivt.
I denne undersøgelse øgede holdet afgrødevæksten med 27 procent ved at løse to begrænsninger: en i den første del af fotosyntesen, hvor planter omdanner lysenergi til kemisk energi, og en i den anden del, hvor kuldioxid bindes til sukkerarter.
Inde i to fotosystemer fanges sollys og omdannes til kemisk energi, der kan bruges til andre processer i fotosyntesen. Et transportprotein kaldet plastocyanin flytter elektroner ind i fotosystemet for at brænde denne proces. Men plastocyanin har en høj affinitet for dets acceptorprotein i fotosystemet, så det hænger rundt og undlader at sende elektroner frem og tilbage effektivt.
Teamet adresserede denne første flaskehals ved at hjælpe plastocyanin med at dele belastningen med tilsætningen af cytochrom c6 - et mere effektivt transportprotein, der har en lignende funktion i alger. Plastocyanin kræver kobber og cytochrom kræver jern for at fungere. Afhængig af tilgængeligheden af disse næringsstoffer kan alger vælge mellem disse to transportproteiner.
Samtidig har holdet forbedret en fotosyntetisk flaskehals i Calvin-Benson-cyklussen - hvor kuldioxid bindes til sukker - ved at øge mængden af et nøgleenzym kaldet SBPase, ved at låne det ekstra cellulære maskineri fra en anden planteart og cyanobakterier.
Ved at tilføje "cellulære gaffeltrucks" til at sende elektroner ind i fotosystemerne og "cellulært maskineri" til Calvin Cycle, forbedrede holdet også afgrødens vandforbrugseffektivitet eller forholdet mellem produceret biomasse og vand tabt af planten.
"I vores feltforsøg opdagede vi, at disse planter bruger mindre vand til at lave mere biomasse," sagde hovedforsker Christine Raines, professor ved School of Life Sciences i Essex, hvor hun også fungerer som pro- Forskningsrektor."Den mekanisme, der er ansvarlig for denne yderligere forbedring, er endnu ikke klar, men vi fortsætter med at udforske dette for at hjælpe os med at forstå, hvorfor og hvordan dette virker."
Disse to forbedringer, når de kombineres, har vist sig at øge afgrødens produktivitet med 52 procent i drivhuset. Endnu vigtigere er det, at denne undersøgelse viste op til en stigning på 27 procent i afgrødevækst i markforsøg, hvilket er den sande test af enhver afgrødeforbedring - hvilket viser, at disse fotosyntetiske hacks kan øge afgrødeproduktionen under virkelige vækstbetingelser.
"Denne undersøgelse giver den spændende mulighed for potentielt at kombinere tre bekræftede og uafhængige metoder til at opnå 20 procent stigninger i afgrødeproduktiviteten," sagde RIPE-direktør Stephen Long, Ikenberry Endowed University Chair of Crop Sciences and Plant Biology ved Carl R. Woese Institut for Genomisk Biologi i Illinois. "Vores modellering tyder på, at stabling af dette gennembrud med to tidligere opdagelser fra RIPE-projektet kan resultere i additive udbyttegevinster på i alt så meget som 50 til 60 procent i fødevareafgrøder."
RIPEs første opdagelse, offentliggjort i Science, hjalp planterne med at tilpasse sig skiftende lysforhold for at øge udbyttet med så meget som 20 procent. Projektets andet gennembrud, også offentliggjort i Science, skabte en genvej til, hvordan planter håndterer en fejl i fotosyntesen for at øge produktiviteten med 20 til 40 procent.
Dernæst planlægger holdet at oversætte disse opdagelser fra tobak - en modelafgrøde, der bruges i denne undersøgelse som et testbed for genetiske forbedringer, fordi det er nemt at konstruere, dyrke og teste - til basisfødevareafgrøder som f.eks. kassava, cowpea, majs, sojabønner og ris, der er nødvendige for at brødføde vores voksende befolkning i dette århundrede. RIPE-projektet og dets sponsorer er forpligtet til at sikre global adgang og gøre projektets teknologier tilgængelige for de landmænd, der har mest brug for dem.
Realizing Increased Photosynthetic Efficiency (RIPE) har til formål at forbedre fotosyntesen for at udstyre landmænd over hele verden med afgrøder med højere udbytte for at sikre, at alle har mad nok til at leve et sundt, produktivt liv. Dette internationale forskningsprojekt er sponsoreret af Bill & Melinda Gates Foundation, U. S. Foundation for Food and Agriculture Research (FFAR) og den britiske regerings departement for international udvikling (DFID).
RIPE ledes af University of Illinois i samarbejde med The Australian National University, Chinese Academy of Sciences, Commonwe alth Scientific and Industrial Research Organisation, Lancaster University, Louisiana State University, University of California, Berkeley, University of Cambridge, University of Essex og U. S. Department of Agriculture, Agricultural Research Service.
