Kan alger låse op for fotosyntesens hemmeligheder?

Et hold ledet af nuværende og tidligere Carnegie plantebiologer har foretaget den største funktionelle genomiske undersøgelse nogensinde af en fotosyntetisk organisme. Deres arbejde, udgivet i Nature Genetics , kunne informere om strategier til forbedring af landbrugsudbyttet og afbødning af klimaændringer.

Fotosyntese er den biokemiske proces, hvorved planter, alger og visse bakterier er i stand til at omdanne solens energi til kemisk energi i form af kulhydrater.

"Det er grundlaget, hvorpå livet, som vi kender det, kan eksistere," sagde Carnegies Arthur Grossman, en medforfatter på avisen. "Det gør vores atmosfære iltrig, mens den opfanger en procentdel af de klimaforandringer, der forårsager drivhusgasser, for det meste CO₂ , der sprøjtes ud i atmosfæren af ​​menneskelig aktivitet, og det er grundpillen i vores fødevareforsyning."

På trods af dens grundlæggende betydning forbliver mange af generne forbundet med fotosyntese ukarakteriserede. Heldigvis er alger et tilgængeligt redskab til at belyse den genetiske information, der understøtter denne vitale proces.

Et katalog over mutanter af den encellede fotosyntetiske grønalge Chlamydomonas reinhardtii, der blev initieret af Princeton Universitys Martin Jonikas under hans embedsperiode som Carnegie-medarbejder, gjorde det muligt for et samarbejdende hold af planteforskere at begynde at forstå funktionerne af tusindvis af gener, der er til stede i fotosyntetiske organismer.

Chlamydomonas repræsenterer en gruppe fotosyntetiske alger, der findes rundt om på kloden i ferskvand og saltvand, fugtig jord og endda på overfladen af ​​sne. De vokser let i laboratoriet, selv i mørke, hvis de får de rigtige næringsstoffer. Dette gør Chlamydomonas til et fremragende forskningsværktøj for plantebiologer, især for dem, der er interesseret i genetik af det fotosyntetiske apparat, såvel som mange andre aspekter af plantebiokemi, såsom reaktioner på lys og stress.

"Vi startede med en samling af 58.000 Chlamydomonas-mutanter og udsatte dem for en lang række forhold og kemiske stressfaktorer," forklarede Jonikas. "At kvantificere en individuel mutants vækst gjorde det muligt for os at se, hvilke gener der bidrager til succes i hvert miljø og at begynde at forbinde mange af disse gener til adaptive egenskaber."

Denne undersøgelse repræsenterede 78 % af Chlamydomonas-gener - næsten 14.000 - og giver en ramme for prioritering af, hvilke gener der er gode kandidater til yderligere forskning og gør det muligt for forskere at begynde at opstille hypoteser om de mulige funktioner af dårligt forståede gener i fotosyntetiske organismer.

"Vi forventer, at vores arbejde vil guide den funktionelle karakterisering af gener på tværs af livets træ," sagde Grossman.

"Vi er meget glade for at se, hvordan ressourcer genereret af Carnegie-forskere gør det muligt for forskersamfundet og fremmer feltet i en så bred skala," tilføjede Zhiyong Wang, den fungerende direktør for Carnegies afdeling for plantebiologi.

Den viden, der er indsamlet fra denne forskning, kan understøtte strategier til at forbedre udbyttet af vigtige fødevare- og biobrændstofafgrøder i en opvarmende verden, samt programmer til at opfange og opbevare kulstofforurening fra atmosfæren.