Учени проправят пътя към по-продуктивни и устойчиви на климатични промени култури

Учените са разкрили генетични вариации в неизследвана ДНК на фотосинтетичните и енергийните фабрики на растенията Arabidopsis, които играят решаваща роля за ефективността на фотосинтезата им. Тези новаторски прозрения - публикувани в престижното списание Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) - проправят пътя към по-продуктивни, устойчиви на климатичните промени култури, които биха могли да допринесат за устойчивата глобална продоволствена сигурност.

Освен хромозоми, растителните клетки съдържат органели в ядрата си. Това са малки специализирани отделения със специфични функции, като например хлоропласти за фотосинтеза (улавяне на слънчева енергия и въглероден диоксид за производство на захари) и митохондрии (освобождаване на енергия от захарите). Както хлоропластите, така и митохондриите съдържат по около 100-150 гена, които кодират белтъци, необходими за тяхната функция.

Неизследвана територия

на органеларната генетична вариация

За правилното функциониране на растенията е необходима оптимална координация между хромозомните, хлоропластичните и митохондриалните гени. Въпреки това досега се знаеше малко за значението на органеларната генетична вариация и за това как тя влияе върху ефективността на растенията.

Изследователи от Университета във Вагенинген, Нидерландия и Мичиганския университет, САЩ променят това. В изследване, публикувано на уебсайта на престижното научно списание PNAS, те доказват, че генетичната вариация в хлоропластната и митохондриалната ДНК играе ключова роля за различията във фотосинтезата при растенията Arabidopsis thaliana (кресон).

„Ролята на вариациите в хлоропластите и митохондриите, особено в производството на енергия и фотосинтезата, е нещо, което преди не можеше да бъде изследвано - но сега вече може", обяснява Марк Аартс, професор по генетика на растенията във ВУЗФ, който ръководи изследването.

Анализ на 240 „кибридни" линии Arabidopsis

За целите на изследването си авторите разработват нов метод за генериране на т. нар. кибриди (цитоплазмени хибриди) в голям мащаб. При кибрида всички оригинални хлоропласти и митохондрии се заменят с такива от друго растение.

„Като комбинирахме хромозомите на едно от четирите различни растения Arabidopsis с хлоропластите и митохондриите на едно от 60 други растения Arabidopsis, успяхме да създадем 240 уникални кибриди", казва Аартс.

Растенията, използвани в изследването, произхождат от различни места в Европа, Азия и Африка - естествения ареал на Arabidopsis.

За първи път се създава толкова голям набор от кибриди. Според Аартс това показва, че този подход може да се прилага и за земеделски култури, като по този начин подобен метод ще бъде достъпен за компаниите, занимаващи се със селекция на растения.

„В миналото беше много сложно и отнемаше много време да се изследва приносът на хлоропластичната и митохондриалната вариация за производството на енергия и фотосинтезата при растенията - но сега това е осъществимо."

Към по-ефективна фотосинтеза

и растеж на растенията

Ефективността на растителната фотосинтеза в полеви условия е доста ниска в сравнение със слънчевите панели. Растенията използват средно само около 1 % от слънчевата енергия, която достига до растението. По-ранни изследвания показват, че тази ефективност по принцип може да бъде 5-6 пъти по-висока. Разгръщането на този потенциал е във фокуса на текущите изследвания в Института „Ян Ингенхус" във Вагенинген, където понастоящем работят двама от авторите на статията.

В миналото усилията за подобряване на фотосинтезата са били насочени предимно към използване на генетичните вариации в хромозомите. Според Марк Аартс това откритие разширява възможностите на учените и селекционерите в областта на растенията да изследват и подобряват производството на енергия и фотосинтезата. Това може да допринесе за създаването на бъдещи сортове култури, които са по-добре оборудвани за улавяне и използване на енергията за оптимален растеж.

„Подобряването на способността на културите да улавят слънчевата енергия и да произвеждат надеждни добиви при различни условия на околната среда е от решаващо значение за изхранването на нарастващото световно население с устойчиви на климатичните промени, стабилни култури, които се отглеждат по устойчив начин," казва Аартс.