Większe plony dzięki bioinżynierii – jak cyjanobakterie mogą pomóc w rozwoju rolnictwa?

Usprawnienie fotosyntezy

Naukowcy z Narodowego Uniwersytetu Australijskiego (ANU) zdołali przenieść biologiczną maszynerię wychwytującą węgiel z cyjanobakterii do roślin – to przełomowe osiągnięcie bioinżynierii może przyczynić się do znacznego zwiększenia plonów m.in. pszenicy, roślin strączkowych czy manioku. Kierujący badaniami dr Ben Long stwierdził, że jest to wielki krok naprzód w dziedzinie ulepszania procesu fotosyntezy, dzięki któremu rośliny wytwarzają energię z dwutlenku węgla, wody oraz światła słonecznego, i który stanowi jeden z głównych czynników limitujących zwiększanie wydajności współczesnego rolnictwa.

Karboksysomy z sinic

„Po raz pierwszy udało się pobrać orgenelle komórkowe z cyjanobakterii, znanych powszechnie jako sinice, i umieścić je w roślinach jadalnych, dzięki czemu możliwe będzie zwiększenie ich zbiorów aż o 60%”, mówi dr Long. Organelle te, zwane karboksysomami, odpowiedzialne są za wyjątkową skuteczność, z jaką cyjanobakterie przekształcają dwutlenek węgla w wysokoenergetyczne cukry. „Do tej pory przeniesienie karboksysomów do roślin było pomysłem należącym raczej do domeny science-fiction, jednak po 5 latach intensywnej pracy udało nam się tego dokonać”, dodaje naukowiec.

Mechanizm koncentracji CO₂

Rubisco, enzym pozwalający roślinom na wychwytywanie i wiązanie CO₂ z atmosfery, działa stosunkowo wolno i nie zawsze rozróżnia dwutlenek węgla od tlenu, co prowadzi do dużych strat energii. „W przeciwieństwie do roślin, sinice wykorzystują mechanizm koncentracji CO₂, przekazując duże ilości gazu do karboksysomów, w których znajduje się Rubisco”, wyjaśnia dr Long. „Takie rozwiązanie zwiększa konwersję CO₂ do węglowodanów i minimalizuje reakcje z tlenem”.

Znaczący wzrost plonów

Rubisco w komórkach cyjanobakterii jest w stanie wychwytywać dwutlenek węgla i katalizować jego przekształcanie do cukrów 3-krotnie szybciej niż enzym znajdujący się w tkankach roślinnych. Modele komputerowe wskazują, że usprawniony w ten sposób proces fotosyntezy w znaczącej mierze poprawi wzrost roślin i wydajność zbiorów. Dr Long zaznacza, że „wciąż czeka nas dużo pracy, jednak efektywne wykorzystanie opracowanej przez nas technologii w tytoniu pokazuje, że w przyszłości możliwe będzie stosowanie koncentracji CO₂ na skalę przemysłową”.

Sposób na wyżywienie globalnej populacji?

Współautor badań, prof. Dean Price ze Szkoły Badań Biologicznych ANU stwierdził, że sukces nowatorskiej metody może stanowić długoterminową strategię, dzięki której uda się nie tylko poprawić wydajność światowej produkcji żywności, ale również zmniejszyć negatywny wpływ rolnictwa na środowisko. „Jeśli chcemy być w stanie wyżywić rosnącą globalną populację, potrzebujemy wszelkich rozwiązań, które pozwolą nam usprawnić wytwarzanie żywności – opracowanie takich technologii wymaga czasu, dlatego musimy działać już teraz”, podkreśla australijski badacz.

Źródła:

https://www.nature.com/articles/s41467-018-06044-0

https://www.eurekalert.org/pub_releases/2018-09/anu-bap090218.php