Opracowywanie roślin uprawnych, które pomogą zaspokoić rosnące zapotrzebowanie na żywność
Światowe zapotrzebowanie na żywność stale rośnie. Ze względu na wzrost liczby ludności na świecie i rosnące dochody w krajach rozwijających się oczekuje się, że do 2050 roku światowe zapotrzebowanie na żywność ulegnie podwojeniu. Aby sprostać temu zapotrzebowaniu, rolnictwo musi być wydajniejsze i mieć bardziej zrównoważony charakter. Ilość plonów rolnych będzie musiała wzrastać o 2,4 % każdego roku, co stanowi duże wyzwanie, biorąc pod uwagę fakt, że plony głównych roślin uprawnych, takich jak kukurydza, ryż i pszenica, zwiększają się obecnie o 1 % rocznie. Zespół badawczy pod kierunkiem Andreasa Webera z Uniwersytetu Heinricha Heinego w Niemczech opracował rozwiązanie mające pomóc w uzyskaniu bardziej wydajnych roślin, których uprawa zużywa mniej zasobów. Rozwiązanie to, opracowane przy wsparciu finansowanego ze środków UE projektu GAIN4CROPS, skupia się na fotooddychaniu i metabolizmie roślin typu C4, czyli dwóch głównych zagadnieniach mających na celu poprawę wydajności upraw. Badanie opublikowano w czasopiśmie „Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America”.
Analiza fotooddychania i metabolizmu roślin typu C4
U większości gatunków roślin na świecie, zwanych roślinami typu C3 ze względu na zawierający trzy cząstki węgla związek, 3-fosfoglicerynian, który powstaje podczas wiązania CO2, fotooddychanie jest nieekonomicznym procesem metabolicznym. Proces ten rozpoczyna się, gdy enzym wiążący węgiel, karboksylaza/oksygenaza rybulozo-1,5-bisfosforanu (RuBisCO), oddziałuje na tlen zamiast na CO2, tworząc toksyczne produkty, które roślina musi zutylizować. W trakcie tego procesu roślina traci znaczną część energii wytworzonej w wyniku fotosyntezy i uwalnia wcześniej związany węgiel, co skutkuje obniżeniem wydajności. Jednakże w roślinach typu C4 – nazwanych tak ze względu na zawierający cztery cząstki węgla związek, który powstaje podczas fotosyntezy – możliwe jest zminimalizowanie procesu fotooddychania poprzez użycie podczas pierwszego etapu wiązania węgla enzymu innego niż RuBisCO. Aby ograniczyć szkodliwy wpływ fotooddychania, poprawić wzrost i zwiększyć plony z roślin, naukowcy wprowadzają nowe szlaki metaboliczne w celu ominięcia procesu fotooddychania lub imitują mechanizmy koncentracji węgla w roślinach typu C4. Rozwiązanie opracowane przez niemiecki zespół badawczy łączy dwa główne cele w zakresie poprawy metabolizmu roślin poprzez połączenie fotooddychania i metabolizmu roślin typu C4. Jak czytamy w komunikacie prasowym zamieszczonym na stronie projektu GAIN4CROPS, naukowcy „przekształcili nowatorską drogę obejścia procesu fotooddychania, mikrobiologiczną ścieżkę BHAC, w mechanizm zachowujący węgiel w roślinach”. Wprowadzili oni enzymy ze szlaku BHAC do rośliny modelowej, rzodkiewnika pospolitego (Arabidposis thaliana) i z powodzeniem przekształcili „toksyczny produkt fotooddychania w czynnik stymulujący syntetyczny cykl C4, bez rozpraszania węgla, azotu czy energii”. Badanie mające na celu weryfikację poprawności tego rozwiązania otwiera drogę do zwiększenia wydajności rolnictwa w przyszłości. „Poprawa zrównoważonego rozwoju jest prawdopodobnie największym wyzwaniem XXI wieku, i nawet jeśli w zakresie tym nie istnieje jedno idealne rozwiązanie, to połączenie różnych metod może przynieść istotną poprawę”, zauważył prof. dr Weber w tym samym komunikacie prasowym. W ramach projektu GAIN4CROPS (Rewiring photorespiration using natural and synthetic pathways to sustainably increase crop yield) naukowcy opracowują syntetyczne szlaki metaboliczne o wysokiej wydajności, które wzmacniają wiązanie węgla. Celem projektu jest przyczynienie się do zaspokojenia potrzeb żywnościowych i paliwowych rosnącej światowej populacji, która stoi w obliczu wyzwań związanych ze zmianą klimatu. Więcej informacji: strona projektu GAIN4CROPS
Słowa kluczowe
GAIN4CROPS, uprawa, fotooddychanie, roślina, węgiel, CO2, C4, metabolizm
