Группа ученых идентифицировала ген в тополях, который усиливает фотосинтез и может увеличить высоту деревьев. Исследование опубликовано в Developmental Cell и стало результатом сотрудничества Центра передовой биоэнергетики и инноваций в области биопродуктов при Иллинойсском университете в Урбане-Шампейне и Центра биоэнергетических инноваций при Национальной лаборатории Оук-Ридж.
Хлоропласты являются основными структурами клеток, в которых размещается фотосинтетический аппарат, преобразующий энергию света в химическую энергию, которая питает рост растений. В частности, белок Рубиско захватывает углекислый газ из атмосферы. Ученые годами работали над способами увеличения количества Рубиско в растениях для повышения урожайности и поглощения атмосферного CO 2.
«Исторически многие исследования были сосредоточены на стационарном фотосинтезе, где каждое условие сохраняется постоянным. Однако это не является репрезентативным для полевой среды, в которой свет может все время меняться», — сказал Стивен Берджесс. «За последние несколько лет эти динамические процессы считались более важными и не до конца изученными».
В новом исследовании ученые сосредоточились на тополе, поскольку это быстрорастущая культура и ведущий кандидат для производства биотоплива и биопродуктов. Они отобрали около 1000 деревьев на открытых исследовательских участках и проанализировали их физические характеристики и генетический состав, чтобы провести исследование ассоциаций по всему геному . Команда использовала популяцию GWAS для поиска генов-кандидатов, которые были связаны с фотосинтетическим тушением, процессом, который регулирует, как быстро растения приспосабливаются между солнцем и тенью и рассеивают избыточную энергию от слишком большого количества солнца, чтобы избежать повреждений.
Один из генов, который исследователи назвали BOOSTER, оказался необычным, поскольку он уникален для тополя и, хотя находится в ядерном геноме, содержит последовательность, которая произошла от хлоропласта.
Команда обнаружила, что этот ген способен увеличивать содержание Рубиско и последующую фотосинтетическую активность, что приводит к более высоким полярным растениям при выращивании в тепличных условиях. В полевых условиях ученые обнаружили, что генотипы с более высокой экспрессией BOOSTER были на 37% выше, увеличивая биомассу на растение.
Команда также ввела BOOSTER в другое растение, Arabidopsis или кресс-салат Таля, что привело к увеличению биомассы и производства семян. Это открытие указывает на более широкую применимость BOOSTER для потенциального повышения урожайности других растений.
«Это захватывающий первый шаг, хотя это эксперименты небольшого масштаба, и предстоит проделать большую работу, если мы сможем воспроизвести результаты в больших масштабах, этот ген может потенциально увеличить производство биомассы в сельскохозяйственных культурах», — сказал Берджесс.
Следующие шаги в исследовании могут включать тестирование на других биоэнергетических и пищевых растениях, при этом исследователи будут регистрировать продуктивность растений в различных условиях выращивания для анализа долгосрочного успеха. Они также будут изучать другие гены, которые были идентифицированы в исследовании GWAS, которые могут способствовать улучшению урожая.
