Растения научили не бояться тени

Международная группа ученых повысила эффективность фотосинтеза у растений табака, модифицировав экспрессию генов, вовлеченных в фотопротекцию. Попав в тень, модифицированные растения быстрее обычных повышали активность фотосинтеза, что позволило повысить их продуктивность на 14–20 процентов. Статья опубликована в журнале Science, кратко о ней рассказывается на сайте Иллинойского университета, сотрудники которого руководили исследованием.

Листья растений в условиях полного солнечного освещения поглощают больше солнечной энергии, чем они могут использовать, поэтому избыток энергии они рассеивают в виде тепла. Такой механизм нефотохимического тушения обеспечивается ксантофилловым циклом и защищает фотосинтетический аппарат листьев от повреждений. Однако, когда освещенные солнцем листья затеняются облаками или другими листьями, это защитное рассеяние продолжается еще в течение некоторого времени (до 30 минут). Это снижает эффективность фотосинтеза, потому что в тени солнечного света и так недостаточно, а в результате работы механизма нефотохимического тушения он еще и рассеивается в виде тепла. Расчеты показали, что из-за этого теряется от 8 до 20 процентов от потенциальной продуктивности полевых культур, в зависимости от вида растения и температуры. Авторы данной статьи решили модифицировать работу ксантофиллового цикла, чтобы ускорить реакцию растений на переход в затененные условия.

Для этого они использовали растения табака (Nicotiana), которые легко поддаются генетической модификации. Авторы решили повысить экспрессию трех белков, участвующих во взаимопревращениях виолаксантина и зеаксантина в ксантофилловом цикле. Ученые вставили в геном растения дополнительную кассету из этих трех генов, полученных из растения арабидопсиса (Arabidopsis thaliana) — популярного модельного организма. Цель использования дополнительной кассеты заключалась в том, чтобы растение экспрессировало большее количество белков, которые кодируют эти гены. Затем авторы, изменяя условия освещенности, наблюдали, как быстро модифицированные растения реагируют на эти изменения.

Оказалось, что модифицированные растения гораздо быстрее реагируют на изменения освещенности, то есть, попав в тень, быстрее прекращают рассеивать солнечную энергию в виде тепла и начинают снова использовать ее для фотосинтеза. В результате продуктивность модифицированных растений повысилась на 14–20 процентов по сравнению с растениями дикого типа. Иными словами, у растения вырастали более крупные листья — а это именно то, чего хотят производители от растений табака.

В дальнейшем ученые планируют таким же образом модифицировать различные пищевые культуры: рис, пшеницу и сою. Ценность этих растений, в отличие от табака, заключается не в листьях, а в плодах, однако авторы уверены, что им удастся успешно использовать тот же подход, поскольку модификация была направлена на универсальный механизм, которым обладают все растения.

Фотосинтез представляет собой процесс преобразования солнечной энергии в энергию химический связей органических веществ — то есть, в конечном счете, в биомассу. Поэтому повышение эффективности фотосинтеза — важная задача ученых, занимающихся пищевыми культурами. Недавно исследователи создали искусственный лист, который может превращать свет в биомассу с эффективностью, превышающей эффективность растений в десять раз. Такие устройства в будущем можно будет использовать в развивающихся странах.

Софья Долотовская