Fotosentezdeki kusurlar düzeltilerek gıda üretimi büyük ölçüde artırabilir

Akıllı tasarımlar, evrimin çoğunlukla başarısız olduğu yerlerde zafer kazandı. Biyologlar, fotosentezdeki kusurlar telafi ederek tütün biyokütlesini yaklaşık yüzde 40 arttırdılar.

Ekip, aynı değişiklikleri börülce ve soya fasulyesi ile başlayarak, gıda mahsullerine de dahil etmeye çalışıyor. Urbana’daki Illinois Üniversitesi’nden ekip üyesi Amanda Cavanagh, “Finans kuruluşları, bu teknolojiyi dünyanın en yoksul kısımlarının eline geçmesi için çok hevesli” diyor.

Yaşamın anahtar bileşenleri, karbon atomlarının zincirlerinden yapılan moleküllerdir. Bitkiler bu zincirleri havadaki karbon dioksit moleküllerinden alınan karbon atomlarından birleştirir.

Evrim’in en büyük hataları

Fakat CO2 tutma ve onu bir karbon zincirine ekleyen enzim, yanlışlıkla bir oksijen molekülünü tutmaya başlar. Bu temel kusur, evrimin en büyük hatalarından biri olarak tanımlanmıştır.

Adil olmak gerekirse, fotosentez ilk kez geliştiği zaman büyük bir sorun değildi, çünkü etrafta çok az oksijen vardı. Ancak oksijen seviyeleri yükselirken ve CO2 seviyeleri aeonların üzerinde azalırken, bitkiler için büyük bir problem haline geldi. Kazara oksijenin kapma olarak adlandırılan “fotorespirasyon” o kadar sık olur hale geldi ki, bu durum fotosentezin etkinliğini yüzde 50’ye kadar azaltabilir.

Bir kaç bitki bir çözüm geliştirdi: Yanlışlıkla kapılma oksijen olasılığını azaltmak için içlerinde CO2 yoğunlaştırıyorlar. Ancak, hemen hemen bütün sebzeler ve meyveler ve buğday, pirinç ve soya fasulyesi gibi önemli mahsuller dahil, yediğimiz bitkilerin çoğu bunu yapamaz. Biyologlar yıllardır bu konu üzerinde bir düzeltme bulmaya çalışıyorlar.

Kusurları ortadan kaldıracak 3 yeni tasarım yapıldı

Bu çalışmaya dayanarak Cavanagh ve arkadaşları, fotorespirasyonun toksik yan ürünleri ile başa çıkmak için üç alternatif yol tasarladılar. “Yapmaya çalıştığımız şey tüm süreci yeniden yönlendirmek oldu” diyor.

Genetik olarak bu yolları tütün bitkisi üzerinde denediler, çünkü seçilmeleri kolay bir bitki ve kısa bir yaşam döngüsüne sahipler. İki mevsim boyunca yapılan saha testlerinde, en iyi performans gösteren bitkilerin biyokütlesi yüzde 40’tan daha fazla arttı. Заходим по ссылке в самый горячий раздел и смотрим страстное видео с лучшими девками

2016’da, başka bir ekip, bitkilerin değişen ışık seviyelerinde başa çıkma yeteneklerini geliştirerek tütün biyokütlesini yaklaşık yüzde 15 artırmıştı. Cavanagh yaptığı açıklamada, geçmişteki bu çalışma ile kendi çalışmalarını birleştirebilirlerse, yüksek oranda artış elde etmeyi umduklarını söyledi.

Fotosentezi yeniden yönlendirmek riskli mi?

Ancak fotosentezde temel iyileştirmeler yapmanın bazı riskleri olabilir. Örneğin bir bitkinin, fotosentez anlamında diğerine göre daha avantajlı olması, diğer bitkinin soyunun tükenmesine yol açabilir.

Ancak Cornell Üniversitesi’nden bitki genetikçisi Maureen Hanson, bu özellik çiftliklerin ötesine yayılsa bile, ciddi sorunlara yol açma ihtimalinin düşük olduğunu söylüyor, diyor

“Yabancı bir türün gelişmiş bir şekilde büyümesinin, ekolojiyi, geleneksel tarımın çevresel etkileri nedeniyle halihazırda rahatsız ettiğimiz kadar rahatsız etmesi muhtemel değildir” diyor.

Ve yabani bitki büyümesinde, esasen, Almanya’nın Düsseldorf kentinde bulunan Biyokimya Enstitüsü Bitki Andreas Andreas’a göre, fotosentetik kapasiteyle değil, su, azot ve fosfor mevcudiyeti sınırlıdır. “Özelliğin doğal bitki örtüsüne seçici bir avantaj sağlayacağını sanmıyorum.”

Risklerin de faydalara karşı tartılması gerekir. Ekinleri iyileştirme çabalarının çoğu yalnızca küçük verim artışı sağlar. Dünyanın büyüyen nüfusunu beslemek ve biyoenerji yoluyla sera emisyonlarını azaltmak ve hala güvendiğimiz vahşi yaşam için yer bırakmak için büyük desteklere ihtiyaç duyuluyor.

Fotosentezdeki en çok göze çarpan kusurlar giderilse bile, bitkiler güneş enerjisini yakalamada güneş panellerinden çok daha az verimli olacaktır. Bu yüzden birçok araştırmacı yapay fotosentez formları geliştirmeye çalışıyor.

Fotosentetik verimsizlikleri düzeltme

En yararlı ürünlerimizden bazılarında (pirinç ve buğday gibi), fotosentez verimliliğini azaltan toksik yan ürünler üretir. Fotorespirasyon, bu yan ürünler ile ilgilidir ve onları metabolik olarak yararlı bileşenlere dönüştürür, ancak kaybedilen enerji pahasına. South ve ark. Transgenik tütün bitkilerinde, daha az enerji kaybıyla verimsiz fotosentez yan ürünlerini daha verimli bir şekilde yeniden yakalayan bir metabolik yol inşa etti (bkz. Eisenhut ve Weber Perspektifine bakınız). Tarla denemelerinde, bu transgenik tütün bitkileri, vahşi tip tütün bitkilerinden yaklaşık % 40 daha verimlidir.

Abstract

Photorespiration is required in C₃ plants to metabolize toxic glycolate formed when ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase-oxygenase oxygenates rather than carboxylates ribulose-1,5-bisphosphate. Depending on growing temperatures, photorespiration can reduce yields by 20 to 50% in C₃ crops. Inspired by earlier work, we installed into tobacco chloroplasts synthetic glycolate metabolic pathways that are thought to be more efficient than the native pathway. Flux through the synthetic pathways was maximized by inhibiting glycolate export from the chloroplast. The synthetic pathways tested improved photosynthetic quantum yield by 20%. Numerous homozygous transgenic lines increased biomass productivity by >40% in replicated field trials. These results show that engineering alternative glycolate metabolic pathways into crop chloroplasts while inhibiting glycolate export into the native pathway can drive increases in C₃ crop yield under agricultural field conditions.

Kaynak ve Derleme: Popüler Tarım | Bilim Haberleri

---

Journal reference: Science, DOI: 10.1126/science.aat9077