Aby nakarmić świat, poprawić fotosyntezę

WYBIELONE SABBATINI

W balsamicznej szklarni w centralnym Illinois, hałaśliwa, ale skupiona para naukowców zasiewa rośliny eksperymentalne. Naukowcy nawilżają glebę i pakują ją do doniczek, a następnie ostrożnie wyrzucają ze szklanych fiolek maleńkie ciemnobrązowe nasiona tytoniu. W nadchodzących miesiącach naukowcy przeniosą rośliny na pole i będą obserwować, czy rosną lub rosną szybciej niż zwykle – to kluczowy krok w kierunku wykarmienia świata 2050 roku.

Te rośliny tytoniu zostały zaprojektowane na bardziej podstawowym poziomie niż typowe uprawy biotechnologiczne. Zmodyfikowano sposób, w jaki przeprowadzają fotosyntezę, aby skuteczniej przekształcały światło słoneczne i dwutlenek węgla w węglowodany. Jeśli naukowcy zrobią to w uprawach spożywczych, każda działka może wyprodukować więcej żywności lub taką samą ilość żywności przy mniejszej ilości wody i nawozów.

Ta historia była częścią naszego wydania z września 2017 r.

• Zobacz resztę numeru
• Subskrybuj

Potrzeba jest pilna. Organizacja Narodów Zjednoczonych przewiduje, że aby wyżywić rosnącą populację, plony rolne na całym świecie muszą wzrosnąć o 50 procent do roku 2050. A ten ambitny cel nie uwzględnia skutków zmian klimatycznych. Rośliny żywią się dwutlenkiem węgla, ale bardzo upalne dni obniżają plony. W wielu częściach świata rosnące temperatury i nasilone susze spowodowane zmianami klimatycznymi będą niszczące. A te negatywne skutki będą miały największy wpływ na biednych, mówi Steve Long, dyrektor projektu Realizing Increased Photosynthetic Efficiency (RIPE), międzynarodowego konsorcjum z siedzibą na Uniwersytecie Illinois w Urbana-Champaign.

Projekt RIPE, finansowany przez Fundację Billa i Melindy Gatesów, zaczyna się od tytoniu, ponieważ jest stosunkowo łatwy do inżynierii genetycznej. Jednak prawdziwym celem RIPE jest poprawa plonów roślin spożywczych, takich jak maniok i cowpea, które są ważnym źródłem kalorii i białka w wielu biednych krajach. I pracuje nad znacznie ambitniejszymi zmianami w metabolizmie roślin niż wcześniej.

Agronomowie nie osiągnęli jeszcze granic fotosyntezy. Dzieje się tak pomimo faktu, że ten 160-etapowy proces biochemiczny jest bardzo dobrze zbadany i zaskakująco nieefektywny – rośliny przetwarzają mniej niż 5 procent energii słonecznej w biomasę. Jeszcze mniejsza część jest inwestowana w te części roślin, które ludzie lubią jeść: nasiona, bulwy, fasolę. Nowoczesne rolnictwo znacznie poprawiło plony dzięki nawozom, pestycydom i tradycyjnej hodowli. Teraz trudniej o zyski. Dlatego grupa RIPE skupia się na nieefektywności metabolizmu roślin. (Inni badacze próbują różnych wariantów tego samego pomysłu; zobacz 10 przełomowych technologii 2015: Supercharged Photosynthesis .)

Powiązana historia

Powiązana historia

W zeszłym roku badacze RIPE po raz pierwszy wykazali, że dzięki inżynierii fotosyntezy można poprawić plony w terenie. Zwiększając poziomy ekspresji trzech genów zaangażowanych w przetwarzanie światła, poprawili plony tytoniu o 20 procent.

Teraz zespół RIPE próbuje zastosować tę samą sztuczkę inżynierii genetycznej, aby zwiększyć plony w bardziej opornych uprawach żywności. Dokonanie tego w manioku przypada po części Amandzie De Souza, stażystka z Brazylii.

Inżynieria genetyczna fotosyntezy w manioku to delikatny i długotrwały proces. De Souza otwiera szalkę Petriego, aby pokazać zarodki manioku, jasnożółte skupiska o szerokości około milimetra. Hoduje je, używając tkanki zerwanej z pąka na w pełni wyrośniętej roślinie manioku. To skupisko komórek, zwane kalusem, może być zainfekowane bakteriami przenoszącymi geny przetwarzania światła. Tylko kilka komórek faktycznie przejmie geny. Te, które to zrobią, zostaną następnie wystawione na koktajl hormonalny, który doprowadzi je do wzrostu łodygi i korzeni.

W manioku ta transformacja genetyczna trwa od ośmiu do dziesięciu miesięcy – to znaczy, jeśli wszystko pójdzie dobrze. Inne kluczowe uprawy żywności, w tym ryż i wspinaczka, są nieco szybsze.

W głębi korytarza De Souza otwiera podobny do szafy pokój zalany sztucznym światłem słonecznym. Na półkach młode rośliny manioku rosną w plastikowych słojach, a ich korzenie są otoczone odżywczym żelem, który zostanie zerwany ręcznie, zanim rośliny wejdą do gleby.

Pola doświadczalne RIPE znajdują się 10 minut jazdy od laboratoriów. W tej części kraju gospodarstwa uprawiają głównie soję i kukurydzę. Do Davida Draga, kierownika ds. prób terenowych w RIPE, należy ustalenie, w jaki sposób gleba w centralnym Illinois może pielęgnować uprawy takie jak maniok i ryż. W przypadku jednego projektu współpracownik pomógł mu zbudować pole ryżowe. Ale w 2015 roku, wspomina ze smutkiem, widział, jak jeden z kluczowych projektów RIPE utonął w ostrej ulewie późnego sezonu, pomimo wysiłków zespołu, by kopać okopy i tamy. Stracono rok pracy — upokarzające przypomnienie, że nawet najbardziej zaawansowana nauka rolnicza jest wciąż zdana na łaskę natury.

Zmodyfikowane rośliny tytoniu w tej szklarni są połączone z workami, aby zebrać upuszczone nasiona do wykorzystania w przyszłych testach.

Po lewej: Ten robot manewruje przez pola, aby mierzyć biomasę i inne aspekty wzrostu roślin.
Po prawej: ten aparat, przymocowany do liścia tytoniu, bada metabolizm rośliny. Mierzy temperaturę i wilgotność na powierzchni liścia oraz odprowadza tlen i inne gazy emitowane przez liść do analizatora chemicznego.

Te młode rośliny manioku zostały genetycznie zmodyfikowane, aby wydajniej przetwarzać światło słoneczne.

Po lewej: Niektóre z podstawowych badań nad biologią molekularną fotosyntezy prowadzone są na algach na szalkach Petriego. Po prawej: Mapa chlorofilu w roślinie stworzona przez urządzenie do obrazowania fluorescencyjnego.

Po lewej: kamera fluorescencyjna wystawia rośliny na błyski jasnego światła, aby zmierzyć, jak szybko reagują na zmieniające się poziomy światła.
Po prawej: widok wnętrza kamery fluorescencyjnej.

Eksperymenty te pomogły ustalić, że rośliny tytoniu wytwarzają wyższe plony, jeśli mogą szybciej wyłączyć produkcję molekularnego filtra przeciwsłonecznego, gdy poziom światła spadnie. Rośliny, które dobrze radzą sobie w tych eksperymentach, przechodzą do prób polowych.

ukryć