Рослини з оптимізованою фотозахисною системою поглинають більше вуглекислого газу.
За прогнозом Продовольчої і сільськогосподарської організації ООН (Food and Agriculture Organization), до 2050 року людський світ, щоб прогодуватися, повинен буде виробляти на 70% більше їжі, ніж зараз. Зазвичай у таких випадках погляди всіх звертаються на сільське господарство, від якого чекають, що воно стане ще більш ефективним. Дійсно, з часів «зеленої революції» 40-х-70-х років минулого століття, сільське господарство більш-менш виправдовувало надії: з'являлися нові добрива, пестициди, нова техніка, нарешті, агробіологи створювали нові, більш продуктивні сорти рослин. Більш продуктивні - значить, такі, у яких все більша і більша частина біомаси припадає на те, що потрібно людині; наприклад, продуктивний сорт злака відрізняється від непродуктивного тим, що перший дає більш короткі втечі і при тому формує більше насіння. У сучасних сортів зернових культур 50-60% біомаси припадає саме на насіння. Однак подальші підвищення продуктивності впирається у фундаментальну проблему - недостатню, з сільськогосподарської точки зору, ефективність фотосинтезу.
Природно, дослідники задумалися над тим, щоб її підвищити. Суть фотосинтезу укладена в його назві - це синтез біомолекул з використанням енергії сонячного світла. Рослини використовують далеко не всю енергію світла, яке до них приходить. Чи можна зробити так, щоб вони вловлювали, грубо кажучи, більше сонця і, таким чином, давали б більше біомаси? Відомо, що у фотосинтезу є кілька типів, більш і менш ефективних, якими користуються різні групи рослин, і одна з ідей тут полягає в тому, щоб культивовані рослини «навчити» більш ефективному типу фотосинтезу. Інший варіант - прискорити роботу ферментів, які працюють на енергії світла, виконуючи складання вуглеводних молекул. Ще можна розширити діапазон світлових хвиль, доступних рослинним фотосистемам, як це зробили два роки тому в Массачусетському технологічному інституті.
І є ще один шлях, який можна назвати в деякому сенсі обхідним. Надлишок сонячного світла шкодить рослинам так само, як і всім живим організмам, і, щоб захиститися від опіків, у рослин і водоростей є свій сонцезахисний механізм. Як ми знаємо, сонячну енергію ловить пігмент хлорофіл: світло вибиває електрон з молекули пігменту, і цей електрон починає подорож складним ланцюгом молекул-переносників. Перекидання електрона з молекули на молекулу дає енергію, необхідну для перетворення вуглекислого газу на вуглеводи (кисень же є побічним продуктом реакції). Однак якщо на хлорофіл приходить занадто багато світла, він «перевізляється» і робиться небезпечний: такий хлорофіл генерує активні форми кисню, що пошкоджують біомолекули та органи клітини - іншими словами, починається окислювальний стрес. Щоб такого не було, у фотосинтетичних системах є своєрідний запобіжник, так зване нефотохімічне гасіння: частина енергії, що потрапила на хлорофіл, просто розсіюється в тепло.
Гасіння працює не весь час: якщо світла приходить багато, світличні білки змінюють просторову конформацію, збираються в комплекси гасіння і допомагають розсіювати надлишок енергії. Якщо ж світла не багато, а в самий раз або мало (наприклад, якщо на сонці набігла хмара або лист опинився в тіні від іншої рослини), то ніякого гасіння не відбувається. Однак перемикання захисної системи відбувається із затримкою, і якщо вмикається вона за кілька хвилин, то на її відключення йде годинник, і весь цей час частина енергії йде в тепло - а значить, зменшується ефективність фотосинтезу. Для диких рослин тут немає нічого страшного, але, якщо перейти до сільськогосподарських оцінок, то втрати будуть цілком відчутними: у середніх широтах через затримку у вимкненні системи гасіння рослини на фермах поглинають вуглекислого газу на 30% менше, ніж могли б - а чим менше вони «з'їдають» СО2, тим менше виходить біомаси.
Само собою напрошується висновок, що для збільшення продуктивності сільськогосподарських культур можна було б оптимізувати систему нефотохімічного гасіння. Як це можна зробити, описано в щойно статті, що вийшла в Science. Дослідники з Іллінойського університету в Урбані-Шампейні забезпечили рослини тютюну додатковими копіями трьох генів, що регулюють роботу захисної системи: один з них кодує молекулу, що входить до складу світлоуловлюючого комплексу, два інших кодують ферменти, завдяки яким в клітці з'являються комплекси гасіння. З доданими генами (які тютюну пересадили від іншої рослини, Arabidopsis thaliana) фотозахисна система швидше реагувала на затінення і швидше відключалася. Експерименти підтвердили, що після модифікації рослини поглинали більше вуглекислого газу, і, що найголовніше, модифікований тютюн дійсно виростав більшим - за 22 дні він набирав маси на 14-20% більше, ніж немодифіковані екземпляри. Жодних негативних побічних ефектів не було - генетична добавка не зробила тютюн менш стійким до хвороб і стресу.
Зараз автори роботи збираються виконати ті ж маніпуляції з рисом, кукурудзою та іншими культивованими злаками - щоб переконатися, що такий спосіб підвищення продуктивності працює не тільки в тютюні. До речі кажучи, цілком можливо, що оптимізувати роботу системи гасіння можна і без пересадки доданих генів: гени рослин часто і так існують відразу в декількох копіях, з яких працюють тільки кілька, а інші ж мовчать, запечатані мутаціями або якими-небудь регуляторними модифікаціями. Справа тут тільки за тим, щоб знайти у власних геномах тютюну, рису, кукурудзи і т. д. додавальні мовчущі копії генів системи гасіння і активувати їх.