Врожайність від поліпшеного фотосинтезу може навіть впасти, якщо не враховувати, в яких умовах цей поліпшений фотосинтез буде працювати.
Рослини, а також водорості і багато бактерій за допомогою фотосинтезу синтезують складні органічні речовини в буквальному сенсі з повітря, тобто з вуглекислого газу, використовуючи енергію світла. З органічних речовин, отриманих у фотосинтезі, рослини створюють собі стовбури, коріння, листя, плоди і насіння. Якщо подивитися на це з сільськогосподарської точки зору, то можна припустити, що чим краще йде фотосинтез, тим більше вийде врожай.
Зараз у нас достатньо інструментів, щоб втрутитися у фотосинтетичні реакції і зробити їх більш ефективними. Тут є кілька підходів. По-перше, як ми щойно сказали, енергію для фотосинтезу дає світло. Як він її дає? Якщо в дуже загальних рисах, то енергія світла поглинається пігментами хлорофіллами, при цьому з молекул хлорофілів вилітають електрони і починають подорож по складному електронтранспортному ланцюгу, складеному з декількох білкових комплексів. Електрон поступово втрачає енергію, яка запасається в зручній для клітини біохімічній формі - у вигляді молекул АТФ. (До речі, поява кисню з води відбувається якраз під час електронтранспортної фази фотосинтезу.)
Один із способів покращити фотосинтез - це оптимізувати потік електронів у листях рослин. Тут можуть бути різні варіанти; наприклад, ми якось писали про експерименти дослідників з Іллінойського університету в Урбані-Шампейні, які переналаштували систему захисту від надлишку сонячної енергії, що регулює потоки електронів.
Після того, як у клітці з'явилася зручна в обігу енергія, її можна направити на синтез органіки з вуглекислого газу. Ключову роль тут відіграє фермент рибулозобісфосфаткарбоксилаза, або РуБісКо, який працює якраз з молекулами вуглекислого газу. Але він же каталізує іншу, конкуруючу, реакцію, пов'язану з поглинанням кисню і виділенням CO2. За допомогою генної інженерії можна спробувати так змінити фермент РуБісКо, щоб він якомога активніше фіксував вуглекислий газ і якомога повільніше займався другою реакцією.
Нарешті, сам вуглекислий газ повинен якось проникнути до реакційних центрів. Поліпшити фотосинтез можна, якщо допомогти CO2 виконати цей шлях.
Але тут виникає питання, чи дійсно поліпшення фотосинтезу однозначно веде до підвищення врожайності? Адже активність фотосинтетичних реакцій змінюється не тільки залежно від того, багато світла падає на рослину чи мало. Велику роль відіграє вода: якщо, наприклад, води мало, рослина буде її економити, закриваючи гирла - особливі пори в листі, через які вода випаровується. Але через ті самі гирла в аркуш надходить вуглекислий газ, необхідний для фотосинтезу.
Дослідники з Австралійського національного університету та Університету Квінсленду побудували модель, яка дозволяє побачити, як на продуктивності рослини будуть позначатися різні види оптимізації фотосинтезу. В якості модельних рослин взяли пшеницю і сорго. Виявилося, що в деяких випадках поліпшений фотосинтез може призводити навіть до втрати в продуктивності, нехай і невеликий.
У статті в Nature Plants йдеться, що розкид врожайності у відсотках був від 1% в мінусі до 12% в плюсі - все залежало від того, як саме покращували фотосинтез і в яких умовах доводилося жити рослині. Іншими словами, якщо ми хочемо збирати більший урожай за допомогою біотехнологій, то просто підвищувати ефективність фотосинтетичних реакцій недостатньо - потрібно знати, за яких умов ці поліпшення дійсно дадуть ефект.
За матеріалами Phys.org.