Вчені ідентифікували ген-бустер у виді тополі, який може допомогти деяким рослинам експоненціально рости у висоту та виробляти більше рослинної маси. Вони знайшли цей ген після вивчення дерев, вирощених у різних середовищах, і помітили великі відмінності в тому, як швидко вони проростають. Ген, який вони назвали Booster, привернув увагу своїм незвичайним походженням і прямим зв’язком із більш інтенсивним ростом і кращим використанням сонячного світла. Ген може підвищити висоту дерева приблизно на 30% у польових умовах і на 200% у теплиці, що вказує на можливий шлях до здоровіших і продуктивніших рослин.
Пошук гена-бустера рослин
Дослідженням частково керували Стівен Лонг з Університету Іллінойсу Урбана-Шампейн і Джеррі Тускан з Національної лабораторії Оук-Рідж.
«Це відкриття може кардинально змінити ситуацію з точки зору значного стимулювання фотосинтезу та продуктивності рослин», — пояснив Стівен Лонг.
Вони зосередилися на Populus trichocarpa, також відомому як чорна бавовна, яка росте від Нижньої Каліфорнії до північної Канади. Цей вид часто вважають перспективним кандидатом для виробництва біопалива та інших корисних матеріалів. Саме тут дослідники знайшли Booster, химерний ген, який виник із кількох генетичних частин, об’єднаних в одну.
Звідки взявся ген Booster ?
Бустер розроблений як комбінація трьох спочатку окремих генетичних послідовностей. Одна походить від бактерії, що мешкає в кореневій зоні дерева, одна — від мурахи, пов’язаної з грибком, який заражає дерево, а трета — від великої субодиниці білка під назвою Rubisco. Рубіско відіграє ключову роль у захопленні вуглекислого газу під час фотосинтезу. Коли команда заохочувала тополі сильніше виражати Booster, результати були вражаючими.
Дерева продемонстрували на 62% більше вмісту Rubisco, приблизно на 25% збільшення чистого поглинання вуглекислого газу листям, цілих 37% більш високий ріст у польових випробуваннях, на 88% більший об’єм стебла, а в контрольованих тепличних умовах висота до На 200% вище. Тестування того самого гена на арабідопсисі, невеликій квітковій рослині, збільшило його біомасу та покращило вихід насіння на 50%.
«Збережені химерні гени, такі як Booster, часто ігноруються як нефункціональні еволюційні артефакти, які більше не впливають на процеси рослин. Але тут ми довели якраз протилежне», — пояснив Бірук Фейісса з ORNL. «Наша молекулярна та фізіологічна перевірка підтвердила, що Booster покращує фотосинтез, завдяки чому рослини працюють краще за стабільних і змінних умов освітлення».
Чому щось із цього має значення?
Як чорна бавовна, так і арабідопсис належать до групи, відомої як рослини C3. До цієї групи входять добре відомі харчові культури, такі як соя, рис, пшениця та овес. Якщо Booster працюватиме подібним чином на цих інших заводах, то фермери зможуть досягти більшої продуктивності, не потребуючи додаткової землі, води чи добрив.
«Вирощування високоврожайних багаторічних біоенергетичних культур на маргінальних землях, непридатних для звичайного сільського господарства, може допомогти нам задовольнити зростаючий попит на рідке біопаливо для таких галузей, які важко електрифікувати, як авіація», — зазначив Тускан.
Зараз вчені намагаються перевірити ці висновки в різних місцях протягом тривалого часу. Випробовуючи Booster у різних середовищах, вони можуть побачити, наскільки добре він тримається та які результати дає в довгостроковій перспективі.
«Це відкриття відкриває новий шлях наукового мислення. Ми схильні думати про фотосинтез як про процес, який важко вдосконалити», — продовжив Тускан.
Але насправді молекулярний механізм, що оточує фотосинтез, продовжував розвиватися, оскільки рослини адаптувалися до свого середовища. У цьому випадку обмін ДНК з асоційованими організмами докорінно змінив біологічний процес.
Скринінг і генетичні знання
Протягом багатьох років вчені CBI вивчали тополі як постійне джерело рослинного матеріалу, який не конкурує безпосередньо з харчовими культурами. Вони провели загальногеномне дослідження асоціацій, зібравши зразки приблизно з 1500 диких дерев і дослідивши їх генетичний склад.
Вони ідентифікували понад 28 мільйонів однонуклеотидних поліморфізмів, щоб допомогти визначити гени, пов’язані з ростом, вмістом вуглецю та азоту, лігніном та більш ефективним використанням води. Звідти вони шукали гени, залучені до фотосинтетичного гасіння, ключового процесу в роботі зі змінами сонячного світла.
Вчені з CABBI протестували тополю в пробних садах у Девісі, Каліфорнія. Потім молекулярний аналіз показав, що Booster пов’язаний з генами, які впливають на те, як рослини керують потоком енергії в мінливих умовах освітлення. Дослідники використовували багато найсучасніших технологічних ресурсів, скориставшись широкомасштабними методами скринінгу, які дозволили їм швидко й точно вимірювати фізичні риси.
Що буде далі для Booster і рослинних генів?
Підводячи підсумок, можна сказати, що це відкриття демонструє, як тісна командна робота між установами може допомогти виявити корисні генетичні риси, які могли залишитися непоміченими. Завдяки постійній підтримці Програми біологічних і екологічних досліджень Департаменту енергетики ці центри вивчатимуть потенціал Booster у широкому діапазоні умов і видів рослин.
Є інтерес у тому, щоб побачити, чи подібні результати з’являться в інших культурах, важливих для економіки та виробництва енергії. Якщо зусилля продовжуватимуться й дадуть стабільний успіх, Booster може запропонувати простий спосіб покращити ріст рослин. Більш продуктивні рослини, які ефективно використовують ресурси, допомогли б задовольнити зростаючий глобальний попит на продовольство без навантаження на існуючі сільськогосподарські угіддя, і це буквально змінило б усе. Повний текст дослідження опубліковано в журналі Developmental Cell.