Mezinárodní vědecký tým dokázal vylepšit u rostlin proces spojený s fotosyntézou tak, že rostliny na ni vydají méně energie. Tu pak mohou věnovat růstu, díky čemuž mohou poskytnout výrazně větší úrodu. Jsou také odolnější proti vyšším teplotám.
Vědci obešli nedokonalost fotosyntézy. Jejich biologický most zvýšil růst rostlin o 40 procent
Rostliny mění sluneční světlo na energii procesem, kterému se říká fotosyntéza. Jak říká definice pro základní školy, „je to složitý biochemický proces, při kterém se mění přijatá energie světelného záření na energii chemických vazeb“. Jenže většina rostlin na Zemi, které tento proces využívají, to neumí moc efektivně – vyvinuly si proces, kterému se říká fotorespirace.
Ten je dost energeticky náročný. Američtí vědci teď vymysleli, jak fotorespiraci obejít – díky této „zkratce“ jsou pak rostliny až o 40 procent výnosnější než za normálních okolností. Autoři objevu jsou z výsledků nadšení: „Mohli bychom nakrmit dalších 200 milionů lidí jen s kaloriemi, o které přijdeme ročně na americkém středozápadu kvůli fotorespiraci,“ uvedl hlavní autor výzkumu Donald Ort. Podle něj by právě tento proces mohl pomoci s nasycením stále hladovějšího lidstva.
Výzkum je součástí mezinárodního programu s názvem of Realizing Increased Photosynthetic Efficiency (RIPE), který má za úkol zlepšit fotosyntézu za účelem zvýšení výnosnosti zemědělství. Finančně ho podporují americké a německé vládní organizace a nadace Billa a Melindy Gatesových.
Jak to funguje?
Fotosyntéza využívá enzym Rubisco – vůbec nejrozšířenější enzym na Zemi – a sluneční energii, aby změnila oxid uhličitý a vodu na cukry, které jsou pohonem pro růst rostlin. Jenže během milionů let evoluce se Rubisco stal tak trošku obětí svého úspěchu; fotosyntéza je totiž tak častá a účinná, že atmosféra Země je nyní bohatá na kyslík. A protože tento enzym má problém s rozlišováním mezi molekulami kyslíku a oxidu uhličitého, občas, přibližně ve dvaceti procentech případů, se pokusí využít kyslík. Výsledkem je vznik meziproduktu, který rostlina neumí jednoduše využít. A aby se ho zbavila, musí ho recyklovat pomocí fotorespirace.
„Fotorespirace je vlastně antifotosyntéza,“ vysvětluje spoluautor práce Paul South. „Stojí rostliny spoustu vzácné energie a dalších zdrojů, které by mohly investovat do růstu.“ A čím víc rostliny rostou, tím více člověku poskytují.
Schéma fotorespirace
Fotorespirace za normálních okolností probíhá komplikovanou cestou. Vědci teď ale přišli se způsobem, jak rostlinám tento proces urychlit – našli buněčnou zkratku, která vše zkrátí a ušetří jim spoustu zdrojů. Díky tomu se růst rostlin může zvýšit o 40 procent. Výsledek této studie je přelomový – úplně poprvé se podařilo takto uměle vylepšenou fotorespiraci otestovat v reálných podmínkách zemědělství. Všechno fungovalo stejně dobře jako na papíře a v laboratořích.
„Stejně jako Panamský kanál byl inženýrským dílem, které vylepšilo efektivitu obchodu, naše fotorespirační zkratka je dílem vědy, které nabízí jedinečnou cestu, jak zvýšit efektivitu fotosyntézy,“ komentoval výsledky práce vědců ředitel RIPE Stephen Long.
Naděje pro oteplující se planetu
Autoři experimentu přišli se třemi alternativními cestami, jimiž přemostili ty přirozené. Testovali tato přemostění na 1700 rostlinách tabáku, aby zjistili, u kterých funguje nejlépe. To trvalo přes dva roky – během nich se ukázalo, že upravené rostliny rostou rychleji, rostou výš a produkují o 40 procent víc biomasy. Tabák si vybrali proto, že je často používaný. Nyní aplikují výzkum na sóju, rýži, brambory, rajčata, vignu čínskou a lilek.
3D model enzymu RuBisCO
Výzkum je důležitý také kvůli klimatickým změnám: „Rubisco má větší problémy s vybíráním uhlíku při vyšších teplotách – při nich je fotorespirace vyšší,“ popsala spoluautorka studie Amanda Cavanaghová. „Našim cílem je vytvořit lepší rostliny, které by mohly snášet horko lépe než ty dnešní – zemědělcům tak poskytneme technologii, která jim pomůže nakrmit svět.“
Podle vědců bude trvat nejméně deset let, než se tuto technologii podaří převést do praxe a nasadit ji na pole. RIPE a její sponzoři ale už nyní tvrdí, že zemědělci k ní budou mít přístup zdarma.