Norėdami pamaitinti pasaulį, gerinkite fotosintezę

BALTAS SABBATINI

Šiltame šiltnamyje Ilinojaus centre triukšminga, bet susikaupusi tyrėjų pora sėja eksperimentinius augalus. Mokslininkai sudrėkina dirvą ir supakuoja ją į vazonėlius, o tada iš stiklinių buteliukų atsargiai ištraukia mažas tamsiai rudas tabako sėklas. Ateinančiais mėnesiais tyrėjai iškels augalus į lauką ir stebės, ar jie auga didesni, ar greičiau nei įprastai – tai yra esminis žingsnis siekiant maitinti 2050 m. pasaulį.

Šie tabako augalai buvo sukurti fundamentalesniu lygiu nei įprasti biotechnologiniai augalai. Tai, kaip jie vykdo fotosintezę, buvo pakoreguotas, todėl saulės šviesą ir anglies dioksidą veiksmingiau paverčia angliavandeniais. Jei mokslininkai tai padarytų su maistiniais augalais, bet kuris žemės sklypas galėtų pagaminti daugiau maisto arba pagaminti tiek pat maisto su mažiau vandens ir trąšų.

Ši istorija buvo mūsų 2017 m. rugsėjo mėnesio numerio dalis

• Žr. likusią numerio dalį
• Prenumeruoti

Reikia skubiai. Jungtinių Tautų prognozėmis, norint išmaitinti augančią populiaciją, nuo dabar iki 2050 m. pasaulio žemės ūkio derlingumas turi padidėti 50 proc. Ir šis ambicingas tikslas neturi įtakos klimato kaitos padariniams. Augalai klesti dėl anglies dioksido, tačiau labai karštos dienos sumažina pasėlių derlių. Daugelyje pasaulio vietų dėl klimato kaitos kylanti temperatūra ir išaugusios sausros bus niokojančios. Ir tie neigiami padariniai turės didžiausią poveikį vargšams, sako Steve'as Longas, projekto Realizing Increased Photosynthetic Efficiency (RIPE) direktorius, tarptautinis konsorciumas, įsikūręs Ilinojaus universitete Urbana-Champaign mieste.

RIPE projektas, finansuojamas Billo ir Melindos Geitsų fondo, pradedamas nuo tabako, nes jį palyginti lengva genetiškai modifikuoti. Tačiau tikrasis RIPE tikslas yra pagerinti maistinių kultūrų, tokių kaip maniokos ir karvių žirniai, kurie yra svarbūs kalorijų ir baltymų šaltiniai daugelyje neturtingų šalių, derlių. Ir tai daro daug ambicingesnius augalų metabolizmo pokyčius, nei buvo padaryta anksčiau.

Agronomai dar neišstūmė fotosintezės iki jos ribų. Taip yra nepaisant to, kad šis 160 žingsnių biocheminis procesas yra labai gerai ištirtas ir stebėtinai neefektyvus – augalai mažiau nei 5 procentus saulės šviesos paverčia biomase. Dar mažesnė dalis investuojama į žmonių mėgstamas valgyti augalų dalis: sėklas, gumbus, pupeles. Šiuolaikinis žemės ūkis dėl trąšų, pesticidų ir tradicinio veisimo nepaprastai pagerino derlių. Dabar gauti naudos yra sunkiau. Štai kodėl RIPE grupė taikosi į augalų metabolizmo neefektyvumą. (Kiti tyrėjai bando tos pačios idėjos variantus; žr. 10 Breakthrough Technologies 2015: Supercharged Photosynthesis.)

Susijusi istorija

Susijusi istorija

Praėjusiais metais RIPE mokslininkai pirmą kartą pademonstravo, kad inžinerinės fotosintezės būdu galima pagerinti pasėlių derlių lauke. Padidinus trijų genų, dalyvaujančių apdorojant šviesą, ekspresijos lygius, jie pagerino tabako derlių 20 procentų.

Dabar RIPE komanda bando panaudoti tą patį genetinės inžinerijos triuką, kad padidintų nepalankesnių maistinių kultūrų derlių. Tai padaryti su manioka iš dalies tenka Amandai De Souza, postdoktoriui iš Brazilijos.

Maniokos fotosintezės genų inžinerija yra subtilus ir ilgas procesas. De Souza atidaro Petri lėkštelę, kad parodytų maniokos embrionus, šviesiai geltonus, maždaug milimetro pločio spiečius. Ji juos augina naudodama audinį, nuskintą nuo užaugusio manioko augalo pumpuro. Ši ląstelių grupė, vadinama kaliuku, gali būti užkrėsta bakterijomis, turinčiomis šviesos apdorojimo genus. Tik kelios ląstelės iš tikrųjų paims genus. Tie, kurie tai padarys, bus veikiami hormonų kokteilio, kuris paskatins juos užauginti stiebą ir šaknis.

Maniokoje ši genetinė transformacija trunka nuo aštuonių iki 10 mėnesių, tai yra, jei viskas klostosi gerai. Kiti pagrindiniai maistiniai augalai, įskaitant ryžius ir karvių žirnius, yra šiek tiek greitesni.

Prieškambaryje De Souza atidaro į spintą panašų kambarį, užlietą dirbtinės saulės šviesos. Lentynose jauni maniokos augalai auga plastikiniuose indeliuose, jų šaknys yra apsuptos maistinių medžiagų gelio, kuris bus nuskintas rankomis, kol augalai gali patekti į dirvą.

RIPE eksperimentiniai laukai yra už 10 minučių kelio automobiliu nuo laboratorijų. Šioje šalies dalyje ūkiuose daugiausia auginamos sojos ir kukurūzai. Davidas Dragas, RIPE lauko bandymų vadovas, turi išsiaiškinti, kaip Ilinojaus centro dirvožemis gali auginti tokius augalus kaip manioka ir ryžiai. Viename projekte bendradarbis padėjo jam pastatyti ryžių padą. Tačiau 2015 m., jis liūdnai prisimena, matė, kaip vienas iš pagrindinių RIPE projektų paskendo stiprioje vėlyvojo sezono liūtyje, nepaisant komandos pastangų kasti tranšėjas ir užtvankas. Metų darbas buvo prarastas – tai žeminantis priminimas, kad net pažangiausias žemės ūkio mokslas vis dar yra gamtos gailestingumas.

Šiame šiltnamyje sukonstruoti tabako augalai suporuojami su maišeliais, kad būtų galima surinkti išmestas sėklas ir naudoti būsimiems bandymams.

Kairėje: šis robotas manevruoja laukuose, kad išmatuotų biomasę ir kitus augalų augimo aspektus.
Dešinėje: šis aparatas, prispaustas prie tabako lapo, tiria augalo metabolizmą. Jis matuoja temperatūrą ir drėgmę lapo paviršiuje ir sifonuoja deguonį bei kitas lapo išskiriamas dujas į cheminį analizatorių.

Šie jauni maniokos augalai buvo genetiškai modifikuoti, kad saulės šviesą apdorotų efektyviau.

Kairėje: kai kurie pagrindiniai fotosintezės molekulinės biologijos tyrimai atliekami dumbliuose Petri lėkštelėse. Dešinėje: augalo chlorofilo žemėlapis, sudarytas fluorescenciniu vaizduokliu.

Kairėje: fluorescencinis vaizdo įrenginys apšviečia augalus ryškios šviesos blyksniais, kad išmatuotų, kaip greitai jie reaguoja į besikeičiančius šviesos lygius.
Dešinėje: vaizdas fluorescencinio vaizdo įrenginio viduje.

Šie eksperimentai padėjo nustatyti, kad tabako augalai duoda didesnį derlių, jei gali greičiau išjungti molekulinės apsaugos nuo saulės gamybą, kai sumažėja šviesos lygis. Augalai, kurie gerai atlieka šiuos eksperimentus, toliau bandomi lauke.

paslėpti