Tiny baktērijas nodrošina ģenētiku, lai saglabātu ēdienu - - Ilgtspēja - 2020

Saturs:

Anonim

Zinātnieki meklē mikrobus, lai aizsargātu kultūraugu ražu, ņemot vērā klimata pārmaiņas

Augi bieži tiek uzskatīti par fotosintēzes meistariem, procesu, kurā saules gaisma, oglekļa dioksīds un ūdens tiek pārvērsti izmantojamā enerģijā, bet, kad runa ir par efektivitāti, tos izspiež diezgan pārsteidzošs konkurents: baktērijas.

Augi izmanto resursus, piemēram, minerālus un ūdeni, lai veicinātu to augšanu, bet tos ierobežo arī fermenti, kas nepieciešami, lai pabeigtu fotosintēzi, īpaši enzīms, kas pazīstams kā RuBisCo.

Gan augi, gan baktērijas paļaujas uz RuBisCo, lai fiksētu vai pārveidotu oglekļa dioksīdu fotosintēzes sākumposmā. Diemžēl RuBisCo var reaģēt arī ar skābekli, radot nelietojamu molekulu, kas rūpnīcai ir jātērē tālākai enerģijai pārstrādei. Rezultātā tiek iztērēti daudz vairāk barības vielu, nekā nepieciešams augiem, kas maksā gan resursus, gan naudu, un rada teorētisku ierobežojumu kultūraugu ražai.

Nesen Cornell University un Rothamsted Research pētnieciskās grupas Apvienotajā Karalistē sāka meklēt veidus, kā apiet šo barjeru. Viņi izvēlējās gēnus no baktērijām, kas ir attīstījušās, lai apietu šo dilemmu, un ievietoja tās augu šūnās, cerot, ka baktēriju pievienošana piešķirtu tādas pašas priekšrocības augiem un nodrošinās pārtikas kultūru, lai palielinātu ražu saskaņā ar klimata pārmaiņu radīto spiedienu.

"Ja šī tehnoloģija izrādīsies efektīva, tā samazinātu tādu svarīgāko uzturvielu daudzumu kā slāpeklis un, jo īpaši, ūdens daudzums, kas nepieciešams rūpnīcai, vienlaikus palielinot ražu," sacīja Kornellas molekulārās bioloģijas un ģenētikas doktorants Lin Myat. pētījumā. Abas barības vielas ir vērtīgs papildinājums jebkurai augu kultūrai, jo īpaši sausuma spiediena ietekmē.

Dažās galvenajās pārtikas kultūrās, piemēram, kviešu vai rīsu, nevēlamā reakcija uz RuBisCo notiek aptuveni vienu ceturto daļu laika. Lai gan daži augkopības augi, piemēram, kukurūza, ir izstrādājuši veidus, kā samazināt šīs izšķērdīgās reakcijas iespējamību, tiem ir nepieciešama papildu enerģija. Pieaugot iedzīvotāju skaitam, kas barojas un ierobežo resursus, arvien vairāk pētīta tēma ir jaunu veidu, kā izvairīties no RuBisCo problēmas, neizmantojot papildu enerģiju kultūraugu augos.

Cianobaktēriju izdzīvošanas prasme palīdz tabakai
Pēdējā desmitgadē sasniegumi kultūraugu ražā ir sasnieguši strupceļu. Visizteiktākie veidi, kā palielināt produktivitāti, bija izsmelti vai ir izrādījušies kaitīgi pārmērīgam klimatam, piemēram, slāpekļa mēslošanas līdzekļi, piespiežot pētniekus meklēt alternatīvas metodes ( ClimateWire , 11. jūnijā).

"Mēs esam nonākuši līdz vietai, kur mēs vēlamies kursēt par tradicionālajām metodēm kultūraugu ražas palielināšanai apmēram pirms 10 gadiem, piemēram, selektīvā audzēšana un mēslošanas līdzekļi," sacīja Myat.

"Pēc tam mums bija jāsāk meklēt veidus, kā iekļaut jaunas iekārtas pašu augu šūnās." Tas ir tad, kad gēnus no baktērijām sāka uzskatīt par iespējamu risinājumu.

Lai gan augi paliek tumsā par to, kā padarīt RuBisCo efektīvāku, cianobaktērijas atrisināja problēmu miljoniem gadu atpakaļ, jo agri okeāni ieguva skābekli. Cianobaktērijām bija jāatrod veids, kā ierobežot savu RuBisCo reakciju ar nevēlamu skābekli, tāpēc viņi izstrādāja specializētus nodalījumus, kas pazīstami kā karboksilēzes, ar ātrāku RuBisCo formu un iedomātu jaunu triku.

Lai gan precīza metode paliek neskaidra, karboksisomi kaut kādā veidā var paaugstināt CO2 koncentrāciju ap to RuBisCo fermentiem līdz vietai, kur tas iznīcina skābekli, kā rezultātā rodas mazāk neveiksmīgu reakciju un taupot baktēriju enerģiju.

Pirms noteikt fotosintēzes īsceļu izmantošanas praktiskumu augos, Myat un viņa komanda vispirms bija jāpierāda, ka karboksilāzu kapsula varētu veidoties augu šūnās. Izmantojot procesu, kurā izraudzītie gēni tiek piespiesti lapu stomatās vai tiny gāzu apmaiņas atverēs, tie iezīmēja gēnus ar fluorescējošu sekotāju un pēc tam tos injicēja tabakas augu lapās.

Energoefektivitātes ievadīšana kultūrās?
Sekojot ievietotajiem gēniem, viņi konstatēja, ka proteīni faktiski darbojās tā, kā tie bija domāti, veidojot to pašu karboksilāzes apvalku, ko viņi ražo baktērijās.

"Mēs varējām pierādīt, ka mēs varam ievietot karboksilāzes komponentus augu šūnās, ko viņi pulcēs, kā to dara cianobaktērijās," sacīja Myat. "Tagad mēs varam sākt pievienot karboksilāzes iekšējās sastāvdaļas, lai redzētu, vai tas faktiski darbojas, lai padarītu augu efektīvāku."

Šīs tehnoloģijas pielietošana ir tālu, Myat teica, bet, tā kā klimata pārmaiņas turpina izdarīt spiedienu gan uz lauksaimniekiem, gan uz rūpniecību, lai atrastu ilgtspējīgāku praksi, karboksilāzes varētu piedāvāt veidu, kā samazināt kultūraugu patērēto un izšķērdēto uzturvielu daudzumu, kamēr ražot lielāku ražu.

Tomēr joprojām ir daudz jautājumu par procesa iespējamību, vissvarīgākais ir tas, vai augi pieņems zilbaktērijas RuBisCo no ievadītajiem karboksilāziem vai arī turpinās ražot savu neefektīvo formu, padarot tehnoloģiju pretēju. Nākamie izmēģinājumi ietvers tabakas rūpnīcas RuBisCo izņemšanu, lai redzētu, kā tas apstrādā baktēriju versiju.

Bet, pat ja augi noraida ārvalstu fermentu palīdzību, Myat konstatējumi joprojām varētu būt praktiski. Tukšo karboksilāzes apvalku var izmantot kā citu molekulu vai gēnu ievadīšanas metodi augu šūnās.

"Ir daudz, ko mēs varam darīt ar šo, bet tas patiešām būs soli pa solim mācīšanās process," Myat secināja, "un mēs nezinām, cik lielas vai praktiskas šīs priekšrocības ir līdz brīdim, kad esam veikuši katru no šiem soļiem. "

Šonedēļ pētījums tika publicēts tiešsaistē Augu žurnāls .

Atkārtoti izdrukāts no Climatewire ar vides un enerģētikas izdevniecības LLC atļauju. www.eenews.net, 202-628-6500