Генетически модифицированный рис дает до 20% больше зерна

Когда растения превращают солнечный свет в сахар, их клетки "играют с огнем". В результате фотосинтеза образуются химические побочные продукты, которые могут повредить само растение и чем жарче погода, тем больше вероятность того, что этот процесс выйдет из-под контроля, поскольку некоторые химические реакции ускоряются, а другие замедляются. Теперь команда генетиков разработала растения, чтобы они могли лучше восстанавливать тепловой ущерб, что может помочь сохранить урожайность, так как глобальное потепление делает тепловые волны более распространенными. И, что удивительно, изменения сделали растения более продуктивными при нормальных температурах.

«Это потрясающая новость», - говорит Мария Ермакова из Австралийского национального университета, которая работает над улучшением фотосинтеза.

Генетическая модификация работала не только на двух видах модельных растений, но и на основной культуре - рисе, что позволяет предположить, что любая культура может подвергнуться модификации. Эта работа противоречила общепринятому мнению ученых, занимающихся фотосинтезом, и некоторые биологи задаются вопросом, как именно добавленный ген дает преимущества. Тем не менее, Питер Никсон, биохимик растений в Имперском колледже Лондона, предсказывает, что исследование «привлечет значительное внимание».

Когда растения подвергаются воздействию света, комплекс белков, называемый фотосистемой II (PSII), возбуждает электроны, которые затем способствуют фотосинтезу. Но высокая температура или интенсивный свет могут привести к повреждению ключевой субъединицы, известной как D1, останавливая работу PSII. Хлоропласты, органеллы, в которых происходит фотосинтез, имеют свою собственную ДНК, в том числе ген D1, и большинство биологов предположили, что белок должен быть получен именно там. Но геном хлоропласта гораздо сложнее настроить, чем гены в ядре растительной клетки.

Команда под руководством молекулярного биолога растений Фан-Цин Го из Академии наук Китая сделала ставку на то, что D1, полученный с помощью ядерного гена, мог бы работать так же хорошо - и быть более эффективным, поскольку его синтез в цитоплазме вместо хлоропласта был бы защищен от агрессивных побочных продуктов фотосинтетических реакций. Го и его коллеги проверили идею в Arabidopsis thaliana , горчичном сорняке, который является обычным лабораторным растением. Они взяли ген хлоропласта для D1, связали его с участком ДНК, который включается во время теплового стресса, и перенесли его в ядро.

Исследователи обнаружили, что модифицированные саженцы Arabidopsis могут выжить в условиях сильной жары в лаборатории - 8,5 часов при 41 C, что привело к гибели большинства контрольных растений. Тот же ген Arabidopsis также защищал табак и рис. У всех трех видов фотосинтез и рост уменьшились меньше, чем у выживших контрольных растений. И в 2017 году, когда в Шанхае в течение 18 дней температура превысила 36 C, трансгенный рис, посаженный на испытательных участках, дал на 8-10% больше зерна, чем контрольные растения, сообщает группа на этой неделе в журнале Nature Plants.

Но то, что случилось при нормальной температуре, вызвало шок. Модифицированные растения всех трех видов имели больший фотосинтез - в табаке этот показатель увеличился на 48% - и росли больше, чем контрольные растения. В полевых условиях трансгенный рис дал до 20% больше зерна.

«Это действительно удивило нас», - говорит Го. «Я чувствовал, что мы поймали большую рыбу».

Ветеран исследования фотосинтеза Дональд Орт из Университета Иллинойса говорит, что группа представляет достоверные доказательства преимуществ растений, но он еще не убежден, что D1, полученный ядерными генами, мог восстановить PSII в хлоропласте.

«Все, что потенциально важно, будет встречено с некоторым скептицизмом. Есть много экспериментов, чтобы выяснить, почему это работает», - говорит он.

Го планирует дальнейшие испытания механизма. Но у него также есть практическая цель: увеличение урожая риса. Наибольшая продуктивность была получена его командой в модифицированном Arabidopsis. Она доходила до 80%, возможно потому , что исследователи использовали в эксперименте с Arabidopsis собственный гена D1. Го считает , что выход риса также может увеличиться, если растение модифицировать со своим собственным геном хлоропластов, пишет ScienceMag.