К 2050 году население Земли увеличится почти до 9,8 миллиарда человек, что приведет к ожидаемому 60-процентному росту спроса на продовольствие. И разрушительные последствия изменения климата не лучшим образом сказываются на нашем сельском хозяйстве.Но, возможно, есть и положительный момент, и он связан с обратной эволюцией.
Трехмерное изображение RuBisCo - Рибулозобисфосфаткарбоксилаза. Wikipedia.org
Исследователи из Корнельского университета нашли способ воскресить древнюю форму фермента под названием рубиско, или RuBisCo, который участвовал в фотосинтезе древних растений миллионы лет назад. В исследовании, опубликованном 15 апреля в журнале Science Advances, ученым удалось использовать современные версии рубиско, чтобы понять, как выглядел фермент в древние времена. Возможно, в результате эксперимента ученым удастся вновь использовать его потенциал, чтобы помочь нашим будущим сельскохозяйственным культурам адаптироваться и противостоять изменению климата, а также обеспечить нас всеми необходимыми фруктами, овощами и зерновыми культурами.
Несмотря на то, что растения поглощают углекислый газ и вырабатывают кислород, они не способны самостоятельно использовать углекислый газ в его газообразном состоянии. РуБисКО, (сокращенно от рибулозобисфосфаткарбоксилаза) самый распространенный фермент на Земле, превращает углекислый газ в биологически чистую для растений среду, которую они используют для построения своих тканей.
Одна из проблем РуБисКО заключается в том, что он также вступает во взаимодействие с кислородом. Это нежелательное взаимодействие приводит к образованию токсичных побочных продуктов, которые замедляют фотосинтез и, как следствие, влияют на урожайность. Ученые ищут способы нейтрализовать эти процессы и повысить урожайность растений путем генной инженерии. Однако пока такие усилия не принесли желаемых результатов.
Чтобы решить эту проблему, исследователи из Корнелла решили совершить путешествие в прошлое - на 25-50 миллионов лет назад, когда на Земле было гораздо жарче благодаря высокому содержанию углекислого газа в атмосфере (от 500 до 800 частей на миллион по сравнению с 413 частями на миллион в 2020 году). То есть, современная форма РуБисКО, скорее всего, произошла от своего предка, который был приспособлен к работе при таких экстремальных уровнях углекислого газа.
Команда из Корнелла воссоздала филогенетическое дерево, которая прослеживает эволюционные отношения между членами группы и показывает, как они эволюционировали от общего предка. Для этого они проанализировали гены РуБисКО у растений семейства пасленовых (Solanaceae), к которым относятся картофель, перец, томат, баклажан и табак. На основе этих данных удалось создать и измерить биологическую активность почти сотни древних РуБисКО.
"Получив большое количество генетических последовательностей РуБисКО в существующих растениях, можно построить филогенетическое дерево и выяснить, какие ферментами существовали 20-30 миллионов лет назад", - сказала в пресс-релизе Морин Хансон, молекулярный биолог из Корнелла и старший автор нового исследования. " Мы смогли выделить предсказанные ферменты предков, которые на самом деле обладают лучшими качествами по сравнению с современными RuBisCO".
Следующим важным шагом для исследовательской группы будет внедрение реконструированных версий генов РуБисКО в другие типы растений, и проследить на сколько, улучшится ли активность фотосинтеза и повысится ли урожайность.
На следующем этапе ученые планируют перенести реконструированные версии РуБисКО в такие растения как в томаты, рис или сою и посмотреть насколько повысится урожайность и интенсивность фотосинтеза.
"Следующим шагом мы хотим заменить гены существующего фермента РуБисКО в табаке на модифицированные варианты, а затем определить, как это повлияет на производство биомассы", - сказал Хэнсон. "Мы, конечно, надеемся, что наши эксперименты покажут, что, адаптировав рубиско к современным условиям, мы получим растения, которые будут давать более высокие урожаи".
Источники: Science Advances
(https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abm6871)
