Modificarea modului în care plantele gestionează o criză stimulează fotosinteza

Îmbunătățirea doar a trei gene ajută plantele să recolteze mai multă lumină, ridicând noi speranțe pentru dezvoltarea culturilor care pot face pasul cu cererile de hrană de pe o planetă aglomerată.

Plantele de tutun modificate genetic, alese pentru a testa conceptul, au reușit să crească cu 14 până la 20% mai multă masă – adică un randament mai mare – decât plantele nemodificate, spune Krishna Niyogi de la Universitatea din California, Berkeley și Lawrence Berkeley National Laboratory. Câștigurile au venit din inserarea diferitelor versiuni a trei gene care controlează cât de repede plantele revin la capacitatea maximă de recoltare a energiei după ce au intrat într-un mod de protecție pentru a se proteja de lumina prea puternică a soarelui, raportează cercetătorii în 18 noiembrie. Ştiinţă.

Dintre rezultatele publicate până acum, „din câte știu, acesta este primul exemplu în care creșterea culturilor a fost îmbunătățită prin îmbunătățirea fotosintezei”, spune fiziologul John Evans de la Universitatea Națională Australiană din Canberra, care nu a făcut parte din noul proiect.

Fotosinteza, chimia verde de bază pentru transformarea energiei solare în hrană, nu este un proces perfect eficient (SN: 20.2.16, str. 12). Iar încercarea de a îmbunătăți eficiența prin manipularea pașilor interconectați a peste 100 de reacții în culturile vii a fost complexă. „Putem înrăutăți lucrurile, dar aceasta este prima dată când putem face ceva mai bun”, spune Evans.

Ideea de bază pentru experimentul cu tutun a venit dintr-o apreciere a modului în care lumina și umbra dansează peste frunze pe tot parcursul zilei într-un câmp de fermă. Exploziile bruște de lumină solară intensă sunt lucruri periculoase; o supraîncărcare poate duce la arderea chimică a cloroplastelor care captează lumina unei plante. Deci, atunci când mișcarea soarelui sau o aruncare de la o briză expune dintr-o dată un cloroplast la mai multă lumină solară decât poate suporta, un sistem de protecție se activează.

Enzimele din frunze creează o creștere a unei molecule de culoarea boia de ardei numită zeaxantina, care ajută la descărcarea excesului de energie sub formă de căldură. Această protecție se activează în câteva minute, dar se oprește mai lent când criza se termină, spune Niyogi.

Restabilirea fotosintezei complete necesită mult mai mult decât doar îmbunătățirea mecanismelor de revenire la normal. O enzimă numită ZEP demontează zeaxantina protectoare atunci când nu mai este necesară. Dar a face ca planta să construiască pur și simplu mai mult ZEP împiedică sistemul de protecție să se pornească corect, în primul rând, ceea ce ar putea pune o plantă în pericol. Deci, cercetătorii au îmbunătățit, de asemenea, enzima numită VDE care formează zeaxantina protectoare. Cu cele două enzime în echilibru, un cloroplast poate încă scăpa de excesul de energie, dar revine la operațiunile complete mai repede.

Îmbunătățirea unei a treia proteine, PsbS, a ajutat, de asemenea, deși cercetătorii nu înțeleg încă detaliile complete despre cum. Plantele de tutun cu versiuni modificate ale tuturor celor trei proteine ​​au crescut mai mari, măsurate prin greutatea materialului vegetal uscat, decât altele.

Creșterea suplimentară produsă de acele gene „este un câștig major, important din punct de vedere economic”, spune Maureen Hanson de la Universitatea Cornell, care lucrează la o abordare diferită pentru îmbunătățirea fotosintezei. Acum, spune ea, ideea noii lucrări este gata pentru încercarea de transfer la plante pe care oamenii le recoltează pentru cereale sau fructe. Hanson speră că dimensiunea va crește și acolo.

Convingerea plantelor să se calmeze mai repede după o criză este doar o strategie pentru a face fotosinteza mai eficientă. Evans și Hanson sunt printre cei implicați în eforturile de îmbunătățire a unei enzime fotosintetice notoriu de lentă și distracabilă numită Rubisco (SN Online: 9/19/14). Alți cercetători încearcă să transfere un sistem fotosintetic natural mai eficient găsit în unele plante tropicale și subtropicale, numit fotosinteză C4, în orez, unul dintre principalele cereale ale lumii.

Strategiile mai vechi de a stoarce mai multe alimente de la ferme nu sunt pe cale să țină pasul cu creșterea populației umane și cu cererile de hrană, spune Niyogi. Organizația Națiunilor Unite pentru Alimentație și Agricultură a estimat că hrănirea lumii în 2050 ar putea necesita o creștere a producției de alimente cu încă 70 la sută. Dar succesul tuturor acestor lucruri, notează Niyogi, poate depinde de modul în care oamenii din întreaga lume simt despre alimentele modificate genetic.