Ускорение метаболизма растений позволит удвоить урожайность сельхозкультур
В результате процесса фотосинтеза в растениях под воздействием энергии света происходит химическая реакция, превращающая углекислый газ и воду в сахара, кислород и энергию. Но во время процесса фотодыхания фермент рибулозобисфосфаткарбоксилаза (RuBisCO) поглощает кислород, что приводит к образованию в растениях токсичных отходов: гликолята и аммиака, которые могут замедлять или останавливать их рост.
Удаление токсинов также происходит в ходе фотодыхания, являющегося частью естественного процесса метаболизма растений. Избавление от вредных веществ необходимо для нормальной жизнедеятельности основных растений сельхозназначения, включая пшеницу, сою, а также большинства фруктовых и овощных культур. Проблема в том, что растения расходуют большое количество энергии на выведение побочных продуктов, что может замедлить их рост более чем на 30%. При повышенных температурах такие культуры, как пшеница и соя, вынуждены тратить до 50% энергии, накопленной в результате фотосинтеза, на фотодыхание, чтобы переработать токсины.
Согласно исследованию, проведенному проектом RIPE, повышение скорости фотодыхания растений приводит к ускорению переработки токсинов, что повышает урожайность. Биотехнологи создали растения, способные вырабатывать повышенное количество Н-белка, играющего важную роль в фотодыхании. Лабораторные опыты подтвердили, что увеличение уровня Н-белка ускоряет фотодыхание и стимулирует рост растений.
Однако дальнейшие двухлетние испытания на полевой станции Иллинойсского университета показали, что нужно тщательно рассчитывать, какое количество Н-белка будет производить растение. Избыток белка оказался вреден, он останавливал рост растения и снижал урожайность. В результате ученые, используя ДНК картофеля, создали генетическую модификацию табака, которая продуцировала Н-белок только в листьях. В этих растениях процесс фотосинтеза и роста табака действительно ускорился, потому что скорость переработки токсинов также возросла.
Согласно выводам авторов исследования новая генная технология способна поднять урожайность сельхозкультур на 27-47%, что увеличит производство продовольствия для населения и повысит доходы аграрного сектора. Следующая цель ученых нарастить уровень Н-белка в сое и вигне (бобовых), а также в маниоке (кассава). Эти растения культивируются во многих странах мира, являясь важным источником пищи.
Прежде чем разведение трансгенных растений с высоким уровнем выработки Н-белка получит одобрение официальных властей США, ученым предстоит доказать их безопасность. В том числе то, что они не вызывают аллергии и не оказывают вредного воздействия на окружающую среду.
Пол Сауф, один из авторов исследования из Иллинойского университета, признает, что идея использования продуктов с генетически модифицированными организмами (ГМО) в пищу человека вызывает дискуссии в обществе. Некоторые страны ввели запреты или ограничения на применение генномодифицированного продовольствия. Однако исследователь отмечает, что многочисленные работы на эту тему, включая отчеты Национальных академий наук США, показывают, что продукты, содержащие ГМО, безопасны для употребления в пищу.
Изменение климата, сокращение количества пахотных земель, водный дефицит, рост населения Земли – основные угрозы продовольственной безопасности. По данным ООН, около 815 млн человек в мире голодают. Согласно прогнозам, население Земли к 2050 году достигнет 9,7 млрд человек, к 2100 году – 11,2 млрд. Чтобы прокормить весь мир, уже через 30 лет человечеству придется нарастить производство продуктов питания не меньше чем на 70%.