Otkriven i riješen bitan nedostatak fotosinteze
Modifikacijom dijela procesa fotosinteze do povećanja prinosa usjeva za 40 posto
Znanstvenici su utvrdili prirodnu manu fotosinteze, i kao rezultat povećali produktivnost biljaka za nevjerojatnih 40 posto u usporedbi s prirodnim procesom. Riječ je o genetskim modifikacijama koje bi mogle spasiti svjetsku populaciju od predviđenih budućih nestašica hrane, kao i smanjenja hranjivih tvari glavnih prehrambenih usjeva.
Fotosinteza je kemijska reakcija koja biljkama omogućava stvaranje šećera (hrane) i kisika iz ugljikovog dioksida i vode uz korištenje Sunčevog svjetla. Poboljšanje ovog prirodnog procesa rezultira većom kalorijskom vrijednošću biljaka čime bi se iz iste količine usjeva mogle dobiti količine dovoljne za prehranu još 200 milijuna ljudi na našem planetu.
Do sada je ovo „poboljšanje“ primijenjeno samo na biljci duhana, tako da smo još daleko od korištenja ove tehnologije za pojačavanje svjetske opskrbe hranom. No, ono predstavlja nevjerojatno obećavajući prvi korak k tom cilju.
- Pogled iz zraka na terenska ispitivanja iz 2017. godine kojima su znanstvenici proučavali koliko dobro su njihove biljke modificirane za smanjenje fotorespiracije, usporedno s nemodificiranim biljkama u stvarnim uvjetima. Otkrili su kako su modificirane biljke oko 40 posto produktivnije. / Foto: James Baltz / College of Agricultural, Consumer and Environmental Sciences
Koji je nedostatak procesa fotosinteze?
„Mogli bismo prehraniti još do 200 milijuna dodatnih ljudi kalorijama izgubljenim u fotorespiraciji u SAD-u svake godine. Oporavak samo dijela tih izgubljenih kalorija diljem svijeta bio bi dug put k ispunjavanju zahtjeva za hranom koji u 21. stoljeću ubrzano rastu“, navodi glavni istraživač Donald Ort s Instituta Carl R. Woese za genomsku biologiju Sveučilišta Illinois.
Kako bi bolje razumjeli pronađeni nedostatak fotosinteze, bitno je shvatiti slučajnost procesa evolucije. Ona svakako čini ono što je u njezinoj moći pri trenutnim okolnostima. Stoga, prema poznatim riječima doktora Iana Malcolma iz znanstveno-fantastičnog klasika „Jurassic Park“, „život pronalazi put“. No, bitno je dodati da je taj put ponekad neučinkoviti nered.
Jedan od najnespretnijih dijelova samog prirodnog procesa fotosinteze je ključan korak, tzv. fotorespiracije, u kojem enzim ribuloza-1,5-bisfosfat karboksilaza-oksigenaza (RuBisCO) veže ugljikov dioksid na spoj ribuloza-1,5-bisfosfat (RuBP).
Otprilike 20 posto aktivnog vremena, RuBisCO greškom veže kisik umjesto važnih molekula ugljikovog dioksida. Zanimljiva činjenica koju ovdje vrijedi istaknuti je to da je RuBisCO jedan od najzastupljenijih proteina na planetu.
S ovim nedostatkom rekacije ne samo da se nepovratno gubi dio energije, već kao njezini produkti nastaju glikolat i amonijak – dva za većinu organizama toksična spoja koja se moraju na određene načine ukloniti kako ne bi uzrokovala preveliku štetu.
Srećom, biljke su razvile način za rješavanja problema nastalih spojeva, a to je proces fotorespiracije. Biljke na ovaj proces troše dio svoje energije, što je za njih prihvatljivo jer jedino tako mogu preživjeti. No, ako se radi o njihovom uzgoju kao izvor hrane, takvo trošenje energije je, sa čovjekovog stajališta, uzaludno i neprihvatljivo.
„Fotorespiracija biljku košta dragocjene energije i resursa koje bi mogla uložiti u proces fotosinteze što bi pridonijelo njezinom rastu i većem prinosu“, rekao je glavni autor istraživanja i molekularni biolog Paul South s američkog Odjela za poljoprivredu i usluge poljoprivrednih istraživanja.
Dakle, problem s nakupljanjem toksina te trošenjem energije za njihovo uklanjanje imaju i riža, pšenica i soja. One čine tri od četiri usjeva na koja se danas oslanja svjetska populacija, a u budućnosti se može očekivati pad u njihovom prinosu zbog učinaka klimatskih promjena.
„RuBisCO ima još više problema s razlučivanjem molekula ugljikovog dioksida od molekula kisika što je toplije, što dovodi do češće fotorespiracije, odnosno gubljenja energije“, navodi koautorica istraživanje Amanda Cavanagh sa Sveučilišta Illinois.
Provedene modifikacije procesa fotosinteze
Znanstvenici već godinama intenzivno rade na pronalaženju načina kako bi biljke mogle izbjeći prijeko im potrebnu „detoksikaciju“. Pri tome su proučavali fotorespiracijski pristup po uzoru na druge organizme, poput raznih algi i bakterija. Tako su istraživanje nazvali „realizacijom povećanja fotosintetske učinkovitosti“ (Realizing Increased Photosynthetic Efficiency – RIPE), a sastojao se od odabira gena drugih organizama i njihovog testiranja.
Prvi pronađeni način je put oksidacije glikolata E. coli. Druga mogućnost poboljšanja koristi gen za katalizu, također iz E. coli, i neke glikolat oksidaze te malat sintetiziran u biljkama. Treća predložena opcija bila je korištenje gena za biljnu sintezu malata i gena zelene alge za dehidrogenazu glikolata.
Navedena tri načina korištena su u kombinaciji s ostalim genetskim modifikacijama kako bi se pronašao energetski najučinkovitiji put među 17 različitih početnih kombinacija. Treći fotorespiracijski put bio je onaj koji se po konačnim rezultatima izdvojio od ostalih, s metaboličkom aktivnošću koja je porasla za 40 posto u usporedbi s kontrolnim nemodificiranim procesom.
Stečena energija prevodi se u veće prinose
Ostaje još samo ispitati hoće li ista modifikacija povećati učinkovitost i ostalih usjeva, na čemu znanstvenici intenzivno rade, a detalje dosadašnjih ispitivanja objavili su u časopisu Science.
Barbara Kalebić / Ekovjesnik