Usprawniona fotosynteza w cieniu gwarantuje wyższe plony

Badacze - w tym uczona z Polski - rzucili światło na to, jak usprawnić przebieg fotosyntezy, kiedy roślinę zaczyna skrywać cień. Zmodyfikowane genetycznie przez naukowców rośliny są aż o 15 proc. większe. Wyniki ich badań mogą pomóc w walce z głodem na świecie.

W 2050 r. liczba mieszkańców Ziemi wynosić będzie ponad 9 mld. Z szacunków Organizacji Narodów Zjednoczonych do spraw Wyżywienia i Rolnictwa (FAO) sprzed kilku lat wynika, że aby dla wszystkich starczyło jedzenia, trzeba będzie zwiększyć produkcję żywności aż o 60 proc. (w relacji do zbiorów z lat 2005-2007 r.). Bardzo trudno będzie to osiągnąć po prostu zwiększając obszary rolne. Naukowcy szukają więc sposobów, by z takiej samej powierzchni uzyskiwać większe plony.

Światełkiem nadziei są badania, które trafiły na okładkę najnowszego tygodnika "Science". Pierwszą autorką badań - obok Johannesa Kromdijka - jest dr hab. Katarzyna Głowacka, związana z Instytutem Genetyki Roślin PAN w Poznaniu. Naukowcy swoje badania przeprowadzali na Uniwersytecie w Illinois (USA).

Biolodzy odkryli, jak za pomocą modyfikacji genetycznej usprawnić przebieg fotosyntezy. Dzięki temu rośliny mogą szybciej "reagować" na korzystne warunki świetlne i wykorzystywać więcej energii słonecznej. A to z kolei sprawia, że rosną szybciej i są większe aż o 15 proc. w stosunku do roślin kontrolnych.

Na razie badania przeprowadzono na roślinie modelowej - tytoniu, ale naukowcy nie wątpią, że podobny efekt można będzie obserwować u innych roślin. Na przeprowadzenie takich badań potrzeba jednak czasu.

Ludzie chronią się przed nadmiarem słońca np. zakładając okulary słoneczne. Roślinom też przeszkadza, kiedy światło jest zbyt intensywne, bo może niszczyć tkanki. Dlatego w ich liściach obecne są związki chemiczne, dzięki którym nadmiar energii zamieniany jest na ciepło. Tzw. mechanizm NPQ (niefotosyntetyczne gaszenie wzbudzenia) to, w wielkim uproszczeniu, ich odpowiednik naszych okularów słonecznych.

Żeby jednak założyć "ciemne okulary", czyli uruchomić chemiczną maszynerię broniącą przed nadmiarem światła potrzeba roślinie co najmniej kilku minut. Wyhamowanie tego procesu też nie jest szybkie i niekiedy zajmuje całą godzinę. A przez ten czas sporo się może zdarzyć.

- Światło w ciągu dnia nie jest stałe. A to pojawią się chmury, a to zawieje wiatr i zmieni położenie liścia, a to zmieni się kąt padania słońca i liść skryje się w cieniu - wymienia dr Głowacka.  

My wiemy, że w cieniu lub w ciemnościach okulary przeciwsłoneczne są tylko przeszkodą. Tak samo roślina - kiedy jest w cieniu, niepotrzebnie przerabia energię słońca na ciepło. To czyste marnotrawstwo! Przecież w tym czasie mogłaby wykorzystywać światło do fotosyntezy. A dzięki temu szybciej rosnąć.

- Okazuje się, że przez ten zbyt powolny mechanizm NPQ roślina traci ze słońca w sumie kilka godzin dziennie - opowiada naukowiec.

Wspólnie z zespołem badaczka pokazała, że za pomocą zwiększenia ekspresji genów odpowiedzialnych za proces NPQ można sprawić, że roślina będzie miała "większy refleks" i szybciej będzie reagowała na zmiany oświetlenia.

- Sprawdziliśmy to w osobnych doświadczeniach: na polu w warunkach niekontrolowanych, oraz w szklarni w warunkach częściowo kontrolowanych. W obu typach doświadczeń uzyskaliśmy podobny wynik: zmodyfikowane rośliny były o 15 proc. większe. I mówimy o korzeniach, pędach i liściach - opisuje badaczka.

Dodaje, że na razie nie sprawdzano jeszcze, czy również nasiona i owoce będą zauważalnie większe. Naukowcy chcą to jednak przetestować w kolejnych doświadczeniach, m.in. na ryżu. Potem przyjdzie czas na soję, maniok czy sorgo - rośliny, które mogą stanowić podstawę wyżywienia w krajach rozwijających się, gdzie brakuje pożywienia.

Dr Głowacka zaznacza, że mechanizmy dotyczące fotosyntezy u różnych roślin są do siebie bardzo podobne. Dlatego otrzymanie podobnych wyników u innych roślin uprawnych na drodze tej samej modyfikacji to kwestia czasu.

- My w tych badaniach jako pierwsi na świecie pokazaliśmy - mając odpowiednią ilość przekonujących danych doświadczalnych - że poprzez modyfikacje w procesie fotosyntezy można otrzymać większe plony - podsumowuje badaczka.

Na razie w ramach kontrolowanego eksperymentu do tytoniu wprowadzono geny z rzodkiewnika pospolitego. Nowa roślina jest więc, formalnie rzecz biorąc, organizmem zmodyfikowanym genetycznie. A z hodowlą GMO związane są liczne obostrzenia.

Skoro jednak wiadomo już, jakie genetyczne mechanizmy odpowiadają za sprawniejszą fotosyntezę, to łatwiej wpaść na trop innych dróg hodowli roślin o pożądanych cechach. Może się np. okazać, że wystarczy jedynie wzmocnić ekspresję genów już w danym gatunku obecnych. Tak wyhodowane rośliny nie są już traktowane jako GMO i znacznie łatwiej będzie wprowadzić je na rynek.

Badania są częścią projektu RIPE (Realizing Increased Photosynthetic Efficiency) finansowanego przez Fundację Billa i Melindy Gatesów. Celem badań jest zwiększenie wydajności upraw rolnych i w rezultacie ograniczenie głodu i biedy rodzin rolniczych w Afryce subsaharyjskiej i południowo-wschodniej Azji.