Manglende link i algefotosyntese fundet, giver mulighed for at forbedre afgrødeudbyttet

Fotosyntese er den naturlige proces, planter og alger udnytter til at fange sollys og fiksere kuldioxid til energirige sukkerarter, der giver næring til vækst, udvikling, og for afgrøder, udbytte. Alger udviklede specialiserede mekanismer for kuldioxidkoncentration (CCM) til fotosyntese meget mere effektivt end planter. Denne uge, i journalen Procedurer fra National Academy of Sciences , et team fra Louisiana State University (LSU) og University of York rapporterer om et langvarigt uforklarligt trin i CCM for grønalger-hvilket er nøglen til at udvikle en funktionel CCM i fødevareafgrøder for at øge produktiviteten.

"De fleste afgrøder er plaget af fotorespiration, som opstår, når Rubisco-enzymet, der driver fotosyntesen-ikke kan skelne mellem livsholdende kuldioxid og iltmolekyler, der spilder store mængder af plantens energi, "sagde James Moroney, Streva Alumni Professor ved LSU og medlem af Realizing Increased Photosynthetic Efficiency (RIPE). "Ultimativt, vores mål er at konstruere en CCM i afgrøder til at omgive Rubisco med mere kuldioxid, gør det mere effektivt og mindre sandsynligt at få fat i iltmolekyler - et problem, der viser sig at blive forværret, når temperaturen stiger. "

Ledet af University of Illinois, RIPE er et internationalt forskningsprojekt, der konstruerer afgrøder til at blive mere produktive ved at forbedre fotosyntesen med støtte fra Bill &Melinda Gates Foundation, U.S. Foundation for Food and Agriculture Research (FFAR), og den britiske regerings afdeling for international udvikling (DFID).

Hvor kuldioxid diffunderer relativt let over cellemembraner, bicarbonat (HCO3-) diffunderer omkring 50, 000 gange langsommere på grund af dens negative ladning. De grønne alger Chlamydomonas reinhardtii , tilnavnet Chlamy, transporterer bicarbonat over tre cellemembraner ind i rummet, der huser Rubisco, kaldet en pyrenoid, hvor bikarbonatet omdannes tilbage til kuldioxid og fikseres til sukker.

"Før nu, vi forstod ikke, hvordan bikarbonat krydsede den tredje tærskel for at komme ind i pyrenoiden, "sagde Ananya Mukherjee, der ledede dette arbejde som kandidatstuderende på LSU, inden han sluttede sig til University of Nebraska-Lincoln som postdoktor. "Årevis, vi forsøgte at finde den manglende komponent, men det viser sig, at der er tre transportproteiner involveret i dette trin - som var det manglende led i vores forståelse af CCM af Chlamydomonas reinhardtii . "

"Mens andre transportproteiner kendes, vi spekulerer i, at disse lettere kunne deles med afgrøder, fordi Chlamy er tættere beslægtet med planter end andre fotosyntetiske alger, såsom cyanobakterier eller kiselalger, "sagde Luke Mackinder, en lektor i York, der samarbejdede med RIPE -teamet om dette arbejde med støtte fra Biotechnology and Biological Sciences Research Council (BBSRC) og Leverhulme Trust.

Det kræver tre ting at oprette en funktionel CCM i afgrøder:et rum til opbevaring af Rubisco, transportører til at bringe bicarbonat til rummet, og carbonanhydrase for at omdanne bicarbonat til kuldioxid.

I en undersøgelse fra 2018 RIPE -kolleger ved The Australian National University demonstrerede, at de kunne tilføje et rum kaldet et carboxysom, der ligner en pyrenoid, i afgrøder. Nu udfylder denne undersøgelse listen over mulige transportproteiner, der kan transportere bikarbonat udefra cellen til denne carboxysomstruktur i afgrødernes bladceller.

"Vores forskning tyder på, at oprettelse af en funktionel CCM i afgrøder kan hjælpe afgrøder med at spare mere vand og kan reducere energibeskatningsprocessen ved fotorespiration i afgrøder betydeligt-det forværres, når temperaturen stiger, "Moroney sagde." Udviklingen af ​​klimaresistente afgrøder, der kan fotosyntetisere mere effektivt, vil være afgørende for at beskytte vores fødevaresikkerhed. "

Realisering af øget fotosyntetisk effektivitet (RIPE) er en konstruktion af fødevareafgrøder, der mere effektivt omdanner solens energi til mad for bæredygtigt at øge verdensomspændende fødevareproduktion, med støtte fra Bill &Melinda Gates Foundation, U.S. Foundation for Food and Agriculture Research, og den britiske regerings afdeling for international udvikling.