Растения с оптимизированной фотозащитной системой поглощают больше углекислого газа.

По прогнозу Продовольственной и сельскохозяйственной организации ООН (Food and Agriculture Organization), к 2050 году человеческий мир, чтобы прокормиться, должен будет производить на 70% больше еды, чем сейчас. Обычно в таких случаях взоры всех обращаются на сельское хозяйство, от которого ждут, что оно станет ещё более эффективным. Действительно, со времён «зелёной революции» 40-х–70-х годов прошлого века, сельское хозяйство более-менее оправдывало возлагаемые на него надежды: появлялись новые удобрения, пестициды, новая техника, наконец, агробиологи создавали новые, более продуктивные сорта растений. Более продуктивные – значит, такие, у которых всё большая и большая часть биомассы приходится на то, что нужно человеку; например, продуктивный сорт злака отличается от непродуктивного тем, что первый даёт более короткие побеги и при том формирует больше семян. У современных сортов зерновых культур 50–60% биомассы приходится именно на семена. Однако дальнейшие повышение продуктивности упирается в фундаментальную проблему – недостаточную, с сельскохозяйственной точки зрения, эффективность фотосинтеза.

Растения табака. (Фото fetcaldu / pixabay.com.)

Молекулярная структура одного из хлорофиллов. (Фото sciencepics / ru.depositphotos.com.)

Естественно, исследователи задумались над тем, чтобы её повысить. Суть фотосинтеза заключена в его названии – это синтез биомолекул с использованием энергии солнечного света. Растения используют далеко не всю энергию света, который к ним приходит. Можно ли сделать так, чтобы они улавливали, грубо говоря, больше солнца и, таким образом, давали бы больше биомассы? Известно, что у фотосинтеза есть несколько типов, более и менее эффективных, которыми пользуются разные группы растений, и одна из идей тут состоит в том, чтобы культивируемые растения «научить» более эффективному типу фотосинтезу. Другой вариант – ускорить работу ферментов, которые работают на энергии света, выполняя сборку углеводных молекул. Ещё можно расширить диапазон световых волн, доступных растительным фотосистемам, как это сделали два года назад в Массачусетском технологическом институте.

И есть ещё один путь, который можно назвать в некотором смысле обходным. Избыток солнечного света вредит растениям так же, как и всем живым организмам, и, чтобы защититься от ожогов, у растений и водорослей есть свой солнцезащитный механизм. Как мы знаем, солнечную энергию ловит пигмент хлорофилл: свет выбивает электрон из молекулы пигмента, и этот электрон начинает путешествие по сложной цепи молекул-переносчиков. Перебрасывание электрона с молекулы на молекулу даёт энергию, необходимую для превращения углекислого газа в углеводы (кислород же является побочным продуктом реакции). Однако если на хлорофилл приходит слишком много света, он «перевозбуждается» и делается опасен: такой хлорофилл генерирует активные формы кислорода, повреждающие биомолекулы и органы клетки – иными словами, начинается окислительный стресс. Чтобы такого не было, в фотосинтетических системах есть своеобразный предохранитель, так называемое нефотохимическое тушение: часть энергии, попавшей на хлорофилл, просто рассеивается в тепло.

Тушение работает не всё время: если света приходит много, светособирающие белки меняют пространственную конформацию, собираются в комплексы тушения и помогают рассеивать избыток энергии. Если же света не много, а в самый раз или мало (например, если на солнце набежала туча или лист оказался в тени от другого растения), то никакого тушения не происходит. Однако переключение защитной системы происходит с задержкой, и если включается она за несколько минут, то на её отключение уходят часы, и всё это время часть энергии уходит в тепло – а значит, уменьшается эффективность фотосинтеза. Для диких растений тут нет ничего страшного, но, если перейти к сельскохозяйственным оценкам, то потери будут вполне ощутимыми: в средних широтах из-за задержки в выключении системы тушения растения на фермах поглощают углекислого газа на 30% меньше, чем могли бы – а чем меньше они «съедают» СО₂, тем меньше получается биомассы.

Само собой напрашивается вывод, что для увеличения продуктивности сельскохозяйственных культур можно было бы оптимизировать систему нефотохимического тушения. Как это можно сделать, описано в только что вышедшей статье в Science. Исследователи из Иллинойсского университета в Урбане–Шампейне снабдили растения табака дополнительными копиями трёх генов, регулирующих работу защитной системы: один из них кодирует молекулу, входящую в состав светоулавливающего комплекса, два других кодируют ферменты, благодаря которым в клетке появляются комплексы тушения. С добавочными генами (которые табаку пересадили от другого растения, Arabidopsis thaliana) фотозащитная система быстрее реагировала на затенение и быстрее отключалась. Эксперименты подтвердили, что после модификации растения поглощали больше углекислого газа, и, что самое главное, модифицированный табак действительно вырастал более крупным – за 22 дня он набирал массы на 14–20% больше, чем немодифицированные экземпляры. Никаких отрицательных побочных эффектов не было – генетическая добавка не сделала табак менее устойчивым к болезням и стрессу.

Сейчас авторы работы собираются проделать те же манипуляции с рисом, кукурузой и другими культивируемыми злаками – чтобы убедиться, что такой способ повышения продуктивности работает не только в табаке. Кстати говоря, вполне возможно, что оптимизировать работу системы тушения можно и без пересадки добавочных генов: гены растений часто и так существуют сразу в нескольких копиях, из которых работают только несколько, а прочие же молчат, запечатанные мутациями или какими-нибудь регуляторными модификациями. Дело здесь только за тем, чтобы найти в собственных геномах табака, риса, кукурузы и т. д. добавочные молчащие копии генов системы тушения и активировать их.