Vědci prokázali, že vícegenové bioinženýrství fotosyntézy může zvýšit výnosy sóji

5.12.2022 |

Výzkumníci z výzkumného projektu Realizing Increased Photosynthetic Efficiency (RIPE) poprvé v polních pokusech prokázali, že multigenové bioinženýrství fotosyntézy zvyšuje výnos sóji. Společnému týmu vedenému Illinoiskou univerzitou a vědci z Lancasterské univerzity se podařilo transgenně upravit rostliny sóji tak, že zvýšili účinnost fotosyntézy, což vedlo k zvýšení výnosů až o 30 % bez ztráty kvality. V první práci svého druhu, která byla nedávno publikována v časopise Science, skupina popsala vylepšení tzv. VPZ konstruktu v rostlině sóji tak, aby zlepšila fotosyntézu, a poté provedla polní pokusy, aby zjistila, zda se díky tomu zvýší výnos.

Realizace zvýšené účinnosti fotosyntézy (Realizing Increased Photosynthetic Efficiency, RIPE) je mezinárodní výzkumný projekt, jehož cílem je zvýšit celosvětovou produkci potravin zlepšením fotosyntetické účinnosti potravinářských plodin. Projekt se snaží pomoci zejména drobným zemědělcům v subsaharské Africe a je podporován mimo jiné Nadací Billa a Melindy Gatesových, Nadací pro výzkum potravin a zemědělství a britským Úřadem pro zahraničí, Commonwealth a rozvoj.

Fotosyntéza je více než stostupňový (a překvapivě neefektivní) přirozený proces, který zejména rostliny využívají k přeměně slunečního světla na energii a tvorbu organické hmoty (tedy vlastně výnosy). Probíhá v chloroplastech zelených rostlin a mnohých dalších eukaryotických organizmů (různé řasy), ale také v buňkách sinic a některých dalších bakterií. Průběh se dělí do dvou fází. Ve světelné fázi barevné pigmenty (typicky chlorofyl) pohlcují světlo, z něhož získávají energii pro následné procesy. Biochemické procesy v temnostní fázi již světlo nepotřebují, ale využívají energii, která z něj byla ve světelné fázi získána. V této fázi dochází k zabudování oxidu uhličitého do molekul cukrů.

Světlo je primárním zdrojem energie pro fotosyntézu a jeho snížená absorpce může fotosyntézu výrazně omezit. Aby rostliny dosáhly optimálního využití světla, vyvinuly několik strategií, jak se přizpůsobit podmínkám s nízkým a vysokým osvětlením.

Konstrukt VPZ obsahuje tři geny (VDE, PsbS a ZEP), které kódují proteiny xantofylového cyklu, což je pigmentový cyklus, který pomáhá při tzv. fotoprotekci rostlin. Jakmile se totiž listy ocitnou na plném slunečním světle, tento cyklus se v nich aktivuje, aby je chránil před poškozením - umožňuje listům odvádět přebytečnou energii. Když jsou však listy zastíněny (jinými listy, mraky atp.), musí se tato fotoprotekce vypnout, aby listy mohly pokračovat v procesu fotosyntézy. Vypnutí ochranného mechanismu trvá ale několik minut, což stojí rostliny drahocenný čas, který by mohly využít k fotosyntéze.

Nadměrná exprese tří genů z konstruktu VPZ proces regulace fotoprotekce urychluje, takže při každém přechodu listu ze světla do stínu se fotoprotekce vypíná rychleji. Listy tak získají další minuty fotosyntézy, které po sečtení za celé vegetační období zvyšují celkovou rychlost fotosyntézy.

Výzkumníci svůj nápad nejprve testovali na rostlinách tabáku, protože genetická informace této plodiny se dá snadno transformovat a z jedné rostliny lze získat velké množství semen. To umožnilo výzkumníkům přejít od genetické transformace k polnímu pokusu během několika měsíců. Jakmile se koncept osvědčil u tabáku, přešli ke složitějšímu úkolu - upravit genetickou informaci u potravinářské plodiny, sóji. Výzkum RIPE prokázal, že navzdory dosažení více než 20% zvýšení výnosu nebyla ovlivněna kvalita semen.

"I přes vyšší výnos se obsah bílkovin v semenech nezměnil. To naznačuje, že část dodatečné energie získané ze zlepšené fotosyntézy byla pravděpodobně přesměrována do bakterií fixujících dusík v rostlinných hlízkách," uvedl ředitel RIPE Stephen Long z Ikenberry Endowed University Chair of Crop Sciences and Plant Biology na Illinoiském Carl R. Woese Institute for Genomic Biology.

Výsledky takového významu nemohly přijít ve vhodnější dobu. Nejnovější zpráva OSN Stav potravinové bezpečnosti a výživy ve světě v roce 2022 uvádí, že v roce 2021 hladovělo téměř 10 % světové populace; tato situace se navíc v posledních několika letech neustále zhoršuje a svým rozsahem zastiňuje všechny ostatní hrozby pro globální zdraví. Podle UNICEF se očekává, že do roku 2030 bude více než 660 milionů lidí čelit nedostatku potravin a podvýživě. Dvěma hlavními příčinami jsou neefektivní potravinové řetězce (přístup k potravinám) a drsnější podmínky pro pěstování plodin v důsledku změny klimatu. Projekt RIPE se snaží zlepšit přístup k potravinám a zachovat udržitelnost pěstování potravinářských plodin v chudých oblastech.

"Počet lidí postižených nedostatkem potravin stále roste a prognózy jasně ukazují, že ke změně trajektorie je třeba změny na úrovni nabídky potravin," uvedla Amanda De Souza, vědecká pracovnice projektu RIPE a vedoucí jedné ze skupin. "Náš výzkum ukazuje účinný způsob, jak přispět k zajištění potravin pro lidi, kteří to nejvíce potřebují, a zároveň zabránit tomu, aby se pro produkci zabírala další půda. Zlepšení fotosyntézy je nejdůležitější možnost, jak posunout výnosový potenciál plodin."

"To, že jsme nyní prokázali velmi výrazné zvýšení výnosů jak u tabáku, tak u sóji, tedy u dvou velmi odlišných plodin, naznačuje, že tato metoda je univerzálně použitelná," vysvětluje profesor Long. "Naše studie ukazuje, že na dosažení vyššího výnosu má velký vliv prostředí. Je velmi důležité určit opakovatelnost tohoto výsledku v různých prostředích a dosáhnout dalšího vylepšení, aby byla zajištěna jeho stabilita v nejrůznějších podmínkách." V letošním roce probíhají další polní testy těchto transgenních rostlin sóji, jejichž výsledky se očekávají počátkem roku 2023.

"Důležitým dopadem této práce je i to, že ukazuje cesty, jak je možné bioinženýrsky ovlivnit fotosyntézu a zlepšit výnosy a zvýšit tak produkci potravin u hlavních plodin," řekla De Souza. "Je to začátek potvrzení, že myšlenky, na kterých je založený projekt RIPE, jsou úspěšným prostředkem ke zlepšení výnosů u hlavních potravinářských plodin."
„Pro mě osobně to byla cesta dlouhá více než čtvrt století,“ uvedl dále profesor Long. „Nejprve jsem začal analýzou teoretické účinnosti fotosyntézy plodin, simulací celého procesu pomocí vysoce výkonných výpočtů a následně aplikací optimalizačních postupů, které poukázaly na několik slabých míst v procesu u našich plodin. Finanční podpora v posledních deseti letech nám nyní umožnila navrhnout úpravy některých z těchto naznačených slabých míst a otestovat produkty v polním měřítku. Po letech zkoušek a trápení je pro tým úžasnou odměnou vidět tak velkolepý výsledek.“

Projekt RIPE a jeho sponzoři se zavázali zabezpečit globální přístup k této technologii a zpřístupnit výsledky projektu zemědělcům, kteří je nejvíce potřebují, se zaměřením na subsaharskou Afriku, jednu z nejrychleji rostoucích oblastí produkce sóji na světě. Podle laboratoře pro inovace v oblasti sóji zde zaznamenala tato vysoce proteinová potravinářská plodina nárůst osevních ploch i domácí poptávky.

 

Zdroje: