Як швидко зростаючі водорості можуть сприяти зростанню продовольчих культур,- вчені
Нове дослідження забезпечує основу для прискорення зростання сільськогосподарських культур за рахунок включення стратегії, прийнятої у швидкозростаючих видів зелених водоростей.
Водорості, відомі як Chlamydomonas reinhardtii, містять органоїд, який називається піреноїдом, він прискорює перетворення вуглецю, який водорості поглинають з повітря, у форму, яку організми можуть використовувати для росту. У дослідженні, опублікованому в журналі Nature Plants , дослідники Принстонського університету та Північно-Західного університету використовували молекулярне моделювання, щоб визначити особливості піреноїдів, які є найбільш важливими для посилення фіксації вуглецю, а потім нанесли на карту, як ця функціональність може бути реалізована в культурні рослини.
Це не просто академічна вправа. Сьогодні для багатьох людей основна частина харчових калорій надходить з культурних рослин, одомашнених тисячі років тому. З тих пір досягнення в галузі зрошення, добрива, селекції та індустріалізації сільського господарства допомогли нагодувати зростаюче людське населення. Однак до теперішнього часу з цих технологій можна отримати лише додаткові вигоди. Тим часом, за прогнозами, відсутність продовольчої безпеки, яка вже знаходиться на кризовому рівні для більшої частини населення світу, посилиться через зміни клімату.
Нові технології можуть переламати цю тенденцію. Багато вчених вважають, що піреноїди з водоростей пропонують саме таку інновацію. Якщо вчені зможуть створити здатність, подібну до піреноїдів, концентрувати вуглець в таких рослинах, як пшениця і рис, ці важливі джерела їжі можуть значно підвищити швидкість свого зростання.
«Ця робота дає чітке керівництво по розробці механізму концентрації вуглецю в рослинах, включаючи основні сільськогосподарські культури",-сказав Мартін Йонікас, старший автор дослідження, ад'юнкт-професор молекулярної біології в Прінстоні і дослідник в медичному інституті Говарда Хьюза. .
Chlamydomonas reinhardtii досягає фіксації вуглецю завдяки дії ферменту Рубіско, який каталізує перетворення СО2 в органічний вуглець.
Наземні рослини також використовують Rubisco для зв'язування вуглецю, але в більшості рослин Rubisco працює тільки приблизно на третину своєї теоретичної потужності, тому що він не може отримати достатню кількість CO 2 для більш швидкої роботи. Тому було зроблено багато зусиль для вивчення механізмів концентрації вуглецю, особливо тих, які виявлені у ціанобактерій і хламідомонад, з надією в кінцевому підсумку забезпечити цю функцію для наземних сільськогосподарських рослин .
"Хоча структура піреноїда та багато його компонентів відомі, ключові біофізичні питання про його механізм залишаються без відповіді через відсутність кількісного та систематичного аналізу", - сказав старший співавтор Нед Вінгрін, професор Принстонського університету ім. Говарда А. Прайора. наук про життя і професор молекулярної біології та Інституту інтегративної геноміки Льюїса-Сіглера.
Щоб отримати уявлення про те, як працює механізм концентрації вуглецю піреноїдів водоростей, аспірант Прінстона Чені Фей спільно зі студенткою Олександрою Вілсон, випускницею 2020 року, розробили комп'ютерну модель піреноїдів за допомогою співавтора Найла Мангана, доцента інженерних наук і прикладної математики в північно-західному університеті.
Попередня робота показала, що піреноїд Chlamydomonas reinhardtii складається з сферичного матриксу Рубіско, через який проходить судинна мережа оточених мембраною виростів, званих піреноїдними канальцями, і оточених оболонкою з крохмалю. Вважається, що CO 2, що поглинається з навколишнього середовища, перетворюється на бікарбонат і потім транспортується в канальці, де потім потрапляє в піреноїди. Фермент, присутній в канальцях, перетворює бікарбонат назад в CO 2, який потім дифундує в матрикс Rubisco. Але чи повна ця картина?
"Наша модель демонструє, що ця традиційна картина піреноїдного механізму концентрації вуглецю не може працювати, тому що CO 2 швидко витікає назад з піреноїда до того, як Rubisco зможе на нього впливати", — сказав Вінгрін. "Замість цього крохмальна оболонка навколо піреноїда повинна діяти як дифузійний бар'єр для захоплення CO 2 в піреноїд за допомогою Rubisco.
На додаток до ідентифікації цього дифузійного бар'єру, модель дослідників точно визначила інші білки та структурні особливості, необхідні для концентрації CO 2 . Модель також визначила непотрібні компоненти, що має спростити впровадження піреноїдів у рослини. Дослідники показали, що ця спрощена модель піреноїда поводиться аналогічно реальній органелі.
"Нова модель, розроблена Феєм, Вілсоном та їхніми колегами, змінює правила гри", - сказав Алістер Маккормік, експерт з молекулярної фізіології рослин та синтетичної біології в Единбурзькому університеті, який працював з ученими Прінстона.
"Один з ключових висновків цієї статті, який відрізняє механізм концентрації вуглецю Chlamydomonas від механізму, виявленого у ціанобактерій, полягає в тому, що введення активних переносників бікарбонату може не знадобитися", — сказав Маккормік. Це важливо, тому що активний транспорт бікарбонату був ключовою проблемою, що перешкоджає прогресу в розробці біофізичних механізмів концентрації вуглецю".
Також читайте: