Wzrost plonów o 22%: jak hartowanie niefotochemiczne lub NPQ może radykalnie zwiększyć produkcję kukurydzy
Potem podmuch zaczyna popychać, ciągnąć i skręcać woskowe skrzydła w koncercie, wybijając okno na kulę ognia wirującą 93 miliony mil dalej. To doskonała, cenna okazja dla fotosyntezy do przekształcenia światła słonecznego w żywność. Niestety, fotosyntetyczny odpowiednik ochronnika przeciwprzepięciowego – który wyewoluował, aby pomóc roślinom łagodzić uszkodzenia spowodowane nagłymi skokami światła o dużej intensywności – resetuje się powoli po tak długim czasie w cieniu. Podmuch rozprasza się, chwila minęła, zanim liść i jego komórkowa kuchnia będą mogły skorzystać.
Lato warte tych minut, ale straconych okazji do zbioru światła może kosztować pola kukurydzy, a ci, którzy je uprawiają, znaczną część potencjalnych zbiorów, które dają jesienią. Niedawno identyfikując i mierząc wpływ nowych genów, które regulują ochronnik przeciwprzepięciowy, Kasia Głowacka z University of Nebraska-Lincoln i współpracownicy mogą pomóc zwiększyć te plony nawet o 20%.
Co nie ma na celu umniejszenia znaczenia zabezpieczenia, które nazywa się hartowaniem niefotochemicznym lub NPQ i może przekształcić światło w ciepło, gdy roślina pochłonie więcej tego pierwszego, niż może przeznaczyć na fotosyntezę. Awaria przerwania obwodu biochemicznego może w końcu doprowadzić do toksycznego nagromadzenia ultrareaktywnego tlenu, który uszkadza DNA, a nawet może zabić komórkę. Ale środek bezpieczeństwa ma wadę: im wolniej się relaksuje i wznawia fotosyntezę pochłoniętego paliwa lekkiego, tym więcej marnuje tego światła, które daje energię.
„Kiedy myślisz z perspektywy chloroplastu w komórce roślinnej, życie jest naprawdę trudne” – powiedziała Głowacka, adiunkt biochemii w Nebrasce. „Co kilka sekund zmienia się otoczenie”.
W 2016 roku Głowacka przyczyniła się do badania, które wykazało, że zwiększenie aktywności trzech określonych genów pozwoliło roślinom tytoniu na znacznie szybsze włączanie i wyłączanie NPQ, zapewniając zarówno lepszą ochronę, jak i wydajniejszą fotosyntezę. Ten tytoń z kolei wytwarzał liście o około 20% większe, a symulacje sugerują, że możliwe są jeszcze większe zyski. Dalsze badania wykazały, że ta sama technika może przynieść podobne korzyści w przypadku soi — nie tylko liści, ale także fasoli.
Ale tytoń i soja wykorzystują inną formę fotosyntezy niż kukurydza, sorgo, trzcina cukrowa i kilka innych upraw lepiej przystosowanych do gorących i suchych warunków – upraw, których plony muszą wzrosnąć, aby pomóc wyżywić 10 miliardów ludzi, którzy mają zaludnić kulę ziemską do 2050 roku. czy geny kodujące aktywność NPQ w jednym mogą odgrywać tę samą rolę w drugim. Nawet gdyby tak było, Głowacka i James Schnable z Nebraski doszli do wniosku, że muszą istnieć inne geny wspomagające proces tak złożony jak NPQ.
Mieli rację. Ich odkrycie rozpoczęło się od pracy na polach latem 2020 i 2021 roku, kiedy zespół zasadził ponad 700 różnych genetycznie linii kukurydzy na farmie badawczej Havelock w północno-wschodnim Lincoln. Plan Głowackiej: szukać różnic w wydajności NPQ między liniami, a następnie spróbować ustalić, które geny były ostatecznie odpowiedzialne za te różnice. Mimo to istniejące metody pomiaru NPQ, jak wiedziała Głowacka, były drogie i czasochłonne. Co więcej, starali się wyrównać dzienne różnice w ekspozycji każdej linii na światło, potencjalnie psując ważność jakichkolwiek ustaleń.
Zamiast osiedlić się, Głowacka wypracowała własną metodę. Zespół użył zmodyfikowanego dziurkacza, aby pobrać małe próbki z liści każdej linii na polu. Po powrocie do laboratorium naukowcy dali próbkom tkanek prawie jeden dzień na przystosowanie się do ciemności, ostatecznie mierząc ich fluorescencję – wskaźnik zastępczy dla fotosyntezy i NPQ – przed i po ekspozycji na błyski światła. Zamiast mierzyć jedną próbkę co 20 minut, zespół był w stanie obsłużyć 96 próbek w tym samym okresie.
Naukowcy odkryli, że szybkość i wielkość odpowiedzi NPQ różniły się znacznie między liniami, co pomogło ułatwić poszukiwanie nowych genów potencjalnie napędzających tę zmienność kukurydzy. Porównanie kodu genetycznego linii, porównane z różnicami w wydajności NPQ, ostatecznie ujawniło sześciu obiecujących kandydatów na geny. Kilku z tych kandydatów było już znanych zespołowi. Inni nie byli – w tym jeden o nazwie PSI3, który wprowadził więcej tej odmiany niż jakikolwiek inny kandydat.
Po zidentyfikowaniu odpowiedników tych sześciu genów w Arabidopsis, kwitnącej roślinie powszechnie używanej do badań biologii roślin, zespół przystąpił do zamawiania mutantów: nasion Arabidopsis, z których każdy nie ma jednego z sześciu genów. We wszystkich sześciu mutantach ochronnik przeciwprzepięciowy generalnie wolno reagował pod światłami, ale także wolniej się relaksował, gdy światła były wyłączone. Szczyty NPQ były również zazwyczaj niższe, a dołki wyższe, co sugeruje, że rośliny zarówno mniej buforowały się przed skokami, jak i marnowały więcej światła dostępnego do fotosyntezy.
Naukowcy stwierdzili, że identyfikacja tych genów, w połączeniu z ilością naturalnej zmienności NPQ w różnych liniach kukurydzy, może otworzyć drogę do hodowli roślin znacznie lepiej wykorzystujących zwiększające plony światło słoneczne. Schnable powiedział, że w najlepszym przypadku wysiłki te mogą przynieść owoce już za pół tuzina lat.
Jeśli tak się stanie, wyniki mogą okazać się dobrodziejstwem dla hodowców roślin uprawnych, którzy obecnie badają wszelkie możliwości wykluczenia globalnych niedoborów żywności w nadchodzących dziesięcioleciach.
„Możemy potencjalnie uzyskać 22% tego plonu z upraw, gdybyśmy przyspieszyli NPQ” – powiedziała Głowacka.
Biorąc pod uwagę, że naukowcy rozpoczęli badania na początku 2020 r., ich próby powstrzymania zbliżającego się globalnego kryzysu oznaczały radzenie sobie z kryzysem współczesnym. Dwóch członków zespołu, Seema Sahay i Marcin Grzybowski, dopiero niedawno przybyło do Stanów Zjednoczonych – na tyle niedawno, że żaden z nich nie miał jeszcze prawa jazdy. Przed COVID-19 obaj jeździli autostopem na farmę badawczą Havelock.
Jednak protokoły uniwersyteckie mające na celu spowolnienie rozprzestrzeniania się wirusa tymczasowo wstrzymały tę opcję. Niezrażeni Sahay i Grzybowski regularnie jeździli na rowerze około siedmiu mil do farmy badawczej – ponad 30-minutowa wędrówka pośród upału i wilgotności lata w Nebrasce.
„Seema i Marcin” – powiedziała Głowacka – „są prawdziwymi bohaterami tego eksperymentu”.
Badanie zostało opublikowane w czasopiśmie Nowy fitolog.
Przeczytaj oryginalny post tutaj
