Naukowcy z University of Nebraska–Lincoln zidentyfikowali obiecujące podejście, które pomoże uprawom poradzić sobie z suszą. Dzięki zastosowaniu modyfikacji genomu w celu wzmocnienia kluczowego białka roślinnego naukowcy umożliwili roślinom zmniejszenie zużycia wody nawet o 30% w warunkach imitujących suszę.

Odkrycia te stanowią „istotny krok w kierunku przyszłej inżynierii upraw, które będą lepiej radzić sobie w warunkach suszy” – napisali naukowcy w nowym artykule w czasopiśmie „Journal of Experimental Botany”.

Naukowcy z Huskera uprawiali tytoń w różnych warunkach suszy i odkryli, że konkretna modyfikacja genetyczna pozwoliła roślinom zużywać od 4% do 30% mniej wody niż normalne rośliny. Rośliny tytoniu są przydatne do badań, ponieważ są zazwyczaj łatwe w uprawie i szybko rosną. Ich szczegóły genetyczne są dobrze znane i dobrze nadają się do modyfikacji genetycznej, ułatwiając dalsze badania z innymi, bardziej złożonymi uprawami.

„Rośliny zużywają do 30% mniej wody, ale ostatecznie biomasa — ich wielkość — nie różni się znacząco” — powiedziała Kasia Glowacka, adiunkt biochemii. Jej laboratorium wykorzystuje szeroki zakres technik analitycznych w celu zwiększenia odporności upraw w obliczu stresu klimatycznego.

Poprawa efektywności wykorzystania wody przez rośliny jest szczególnym celem, co skłoniło jej laboratorium do przeprowadzenia zaawansowanych badań nad niefotochemicznym gaszeniem, ważnym biologicznym procesem zaworu bezpieczeństwa. Rośliny wykorzystują ten proces, aby chronić się przed stresem i szkodami, gdy otrzymują więcej energii świetlnej, niż mogą wykorzystać do fotosyntezy.

Gaszenie niefotochemiczne może regulować otwieranie aparatów szparkowych, czyli porów, przez które roślina pochłania dwutlenek węgla (istotny dla wzrostu roślin), jednocześnie uwalniając parę wodną i tlen.

Laboratorium Glowackiej zwiększyło ilość PsbS, białka zaangażowanego w niefotochemiczne wygaszanie. Więcej białka zmniejsza otwieranie szparek poprzez zwiększone niefotochemiczne wygaszanie w odpowiedzi na światło. Rezultatem była poprawa efektywności wykorzystania wody.

„Nie chodzi o to, że zamykamy szparki” – powiedziała Glowacka. „Zmieniamy ich zachowanie”.

W nowej pracy naukowej ona i jej współautorzy napisali, że odkrycia laboratorium dostarczają „dowodu koncepcji, że poprzez nadmierną ekspresję PsbS możliwa jest modyfikacja otwierania aparatów szparkowych w warunkach suszy, co pozwala na osiągnięcie większej efektywności wykorzystania wody i zmniejszenie zużycia wody na poziomie całej rośliny bez znaczącej utraty biomasy”.

Rośliny w projekcie traciły o 11% mniej wody na każdą jednostkę dwutlenku węgla, który pochłonęły, w porównaniu ze zwykłymi roślinami, bez znaczącego wpływu na wielkość roślin. Biorąc pod uwagę stres klimatyczny i ograniczone zasoby wody dla rolnictwa na całym świecie, konieczny jest postęp w przypadku upraw, które wymagają mniej wody na masę plonu, napisali naukowcy.

Wyniki są „naprawdę ekscytujące, ponieważ nie widzimy minusów dla wzrostu” – powiedziała Glowacka. „To dobry punkt wyjścia. To dowód, że to działa”.

Następnym krokiem jest dalsze udoskonalanie modyfikacji genomu w celu poprawy produkcji upraw przy ograniczeniu wody. Glowacka Lab obecnie prowadzi te badania.

Inni badacze Husker zaangażowani w projekt to Geng Bai, adiunkt badawczy w Katedrze Inżynierii Systemów Biologicznych, a także badacze podoktoranccy Benjamin Turc i Seema Sahay; Jared Haupt, student studiów podyplomowych Husker; i Talles de Oliveira Santos, wizytujący student studiów podyplomowych z Uniwersytetu Stanowego Północnego Rio de Janeiro w Brazylii.

UNL korzysta w dużym stopniu z posiadania ośrodków badawczych skoncentrowanych na roślinach, dobrze nadających się do tej zaawansowanej analizy, powiedziała Glowacka. Ośrodek fenotypowania w Nebraska Innovation Campus umożliwia wydajne, szczegółowe badanie roślin na bieżąco. Center for Plant Science Innovation w Beadle Center łączy multidyscyplinarne współprace niezbędne do takich badań.

Glowacka docenia również wygodę i wydajność pól Havelock na północnym wschodzie Lincoln. Glowacka czuje się jak w domu nie tylko w laboratorium, ale także w terenie, bezpośrednio kontrolując rośliny.

„Lubię pracować nad cechami związanymi z rolnictwem” – powiedziała.

To podejście łączy się z jej wizją pracy. Chce, aby miała ona bezpośrednie znaczenie dla producentów.

„Ten temat jest tak ekscytujący” – powiedziała. „Jest tak blisko zastosowania naukowego w produkcji lepszych odmian upraw. Na koniec chcę dokonać zmiany w prawdziwym świecie, która będzie dotyczyć każdego konsumenta i plantatora”.