Usprawnić fotosyntezę w cieniu

W 2050 r. liczba mieszkańców Ziemi wynosić będzie ponad 9 mld. Z szacunków Organizacji Narodów Zjednoczonych do spraw Wyżywienia i Rolnictwa (FAO) sprzed kilku lat wynika, że aby dla wszystkich starczyło jedzenia, trzeba będzie zwiększyć produkcję żywności aż o 60 proc. (w relacji do zbiorów z lat 2005-2007 r.). Bardzo trudno będzie to osiągnąć po prostu zwiększając obszary rolne. Naukowcy szukają więc sposobów, by z takiej samej powierzchni uzyskiwać większe plony.

Światełkiem nadziei są badania, które trafiły na okładkę najnowszego tygodnika "Science" (http://science.sciencemag.org/cgi/doi/10.1126/science.aai8878). Pierwszą autorką badań - obok Johannesa Kromdijka - jest dr hab. Katarzyna Głowacka, związana z Instytutem Genetyki Roślin PAN w Poznaniu. Naukowcy swoje badania przeprowadzali na Uniwersytecie w Illinois (USA).

Biolodzy odkryli, jak - za pomocą modyfikacji genetycznej - usprawnić przebieg fotosyntezy. Dzięki temu rośliny mogą szybciej "reagować" na korzystne warunki świetlne i wykorzystywać więcej energii słonecznej. A to z kolei sprawia, że rosną szybciej i są większe aż o 15 proc. w stosunku do roślin kontrolnych.Na razie badania przeprowadzono na roślinie modelowej - tytoniu, ale badacze nie wątpią, że podobny efekt można będzie obserwować u innych roślin. Na przeprowadzenie takich badań potrzeba jednak czasu.

Ludzie chronią się przed nadmiarem słońca np. zakładając okulary słoneczne. Roślinom też przeszkadza, kiedy światło jest zbyt intensywne - może ono niszczyć ich tkanki. Dlatego w ich liściach obecne są związki chemiczne, dzięki którym nadmiar energii zamieniany jest na ciepło. Tzw. mechanizm NPQ (niefotosyntetyczne gaszenie wzbudzenia) to - w wielkim uproszczeniu - ich odpowiednik naszych okularów słonecznych.

Żeby jednak założyć swoje "ciemne okulary" - czyli uruchomić całą tą chemiczną maszynerię broniącą przed nadmiarem światła - potrzeba roślinie co najmniej kilku minut. Wyhamowanie całego tego procesu też nie jest szybkie - niekiedy zajmuje całą godzinę. A przez ten czas sporo się może zdarzyć.

"Światło w ciągu dnia nie jest stałe - mówi w rozmowie z PAP dr Głowacka. - A to pojawią się chmury, a to zawieje wiatr i zmieni położenie liścia, a to zmieni się kąt padania słońca i liść skryje się w cieniu" - wymienia.

My wiemy, że w cieniu lub w ciemnościach okulary przeciwsłoneczne są tylko przeszkodą. Tak samo roślina - kiedy jest w cieniu, niepotrzebnie przerabia energię słońca na ciepło. To czyste marnotrawstwo! Przecież w tym czasie mogłaby wykorzystywać światło do fotosyntezy. A dzięki temu szybciej rosnąć.

"Okazuje się, że przez ten zbyt powolny mechanizm NPQ roślina traci ze słońca w sumie kilka godzin dziennie" - opowiada dr Głowacka.

Wspólnie z zespołem badaczka pokazała, że za pomocą zwiększenia ekspresji genów odpowiedzialnych za proces NPQ można sprawić, że roślina będzie miała "większy refleks" i szybciej będzie reagowała na zmiany oświetlenia.

"Sprawdziliśmy to w osobnych doświadczeniach: na polu - w warunkach niekontrolowanych, oraz w szklarni - w warunkach częściowo kontrolowanych. W obu typach doświadczeń uzyskaliśmy podobny wynik: zmodyfikowane rośliny były o 15 proc. większe. I mówimy tu zarówno o korzeniach, o pędach, jak i o liściach" - opisuje badaczka.

Dodaje, że na razie nie sprawdzano jeszcze, czy również nasiona i owoce będą zauważalnie większe. Naukowcy chcą to jednak przetestować w kolejnych doświadczeniach, m.in. na ryżu. Potem przyjdzie czas na soję, maniok czy sorgo - rośliny, które mogą stanowić podstawę wyżywienia w krajach rozwijających się, gdzie brakuje pożywienia.

Dr Głowacka zaznacza, że mechanizmy dotyczące fotosyntezy u różnych roślin są do siebie bardzo podobne. Dlatego - według niej - otrzymanie podobnych wyników u innych roślin uprawnych na drodze tej samej modyfikacji to kwestia czasu.

"My w tych badaniach jako pierwsi na świecie pokazaliśmy - mając odpowiednią ilość przekonujących danych doświadczalnych - że poprzez modyfikacje w procesie fotosyntezy można otrzymać większe plony" - podsumowuje badaczka.

Na razie w ramach kontrolowanego eksperymentu do tytoniu wprowadzono geny z innej rośliny - rzodkiewnika pospolitego. Nowa roślina jest więc, formalnie rzecz biorąc, organizmem zmodyfikowanym genetycznie. A z hodowlą GMO związane są liczne obostrzenia. Skoro jednak wiadomo już, jakie genetyczne mechanizmy odpowiadają za sprawniejszą fotosyntezę, to łatwiej wpaść na trop innych dróg hodowli roślin o pożądanych cechach. Może się np. okazać, że wystarczy jedynie wzmocnić ekspresję genów już w danym gatunku obecnych. Tak wyhodowane rośliny nie są już traktowane jako GMO i znacznie łatwiej będzie wprowadzić je na rynek.

Badania są częścią projektu RIPE (Realizing Increased Photosynthetic Efficiency) finansowanego przez Fundację Billa i Melindy Gatesów. Celem badań jest zwiększenie wydajności upraw rolnych i w rezultacie ograniczenie głodu i biedy rodzin rolniczych w Afryce subsaharyjskiej i południowo-wschodniej Azji.

Ludwika Tomala