Bioinženýrstvím zlepšená fotosyntéza zvyšuje výnosy potravinářských plodin

03. 05. 2024 Doc. Dr. Ing. Jaroslav Salava; Výzkumný ústav rostlinné výroby, v.v.i., Praha-Ruzyně Technologie pěstování Zobrazeno 200x

Výzkumníci pracující na projektu RIPE (Realizing Increased Photosynthetic Efficiency) poprvé prokázali, že multigenové bioinženýrství fotosyntézy zvyšuje v polních pokusech výnos významné potravinářské plodiny sóji. Po více než deseti letech práce na dosažení tohoto cíle společný tým vedený University of Illinois pomocí transgenoze upravil rostliny sóji, aby zvýšil účinnost fotosyntézy, což mělo za následek vyšší výnosy bez ztráty kvality.

Výsledky takového významu nemohly přijít v důležitějším čase. Nejnovější zpráva OSN, The State of Food Security and Nutrition in the World 2022, zjistila, že v roce 2021 trpělo hladem téměř 10 % světové populace. Situace se v posledních letech neustále zhoršuje a zastiňuje všechny ostatní hrozby zdraví v globálním měřítku. Podle UNICEF se očekává, že do roku 2030 bude více než 660 mil. lidí čelit nedostatku potravin a podvýživě. Dvě z hlavních příčin jsou neefektivní potravinové dodavatelské řetězce (přístup k potravinám) a zhoršené podmínky pro pěstování plodin v důsledku změny klimatu. Zlepšení přístupu k potravinám a zlepšení udržitelnosti potravinářských plodin v chudých oblastech jsou nejdůležitějšími cíli této studie a projektu RIPE.

Realizace zvýšené fotosyntetické účinnosti neboli RIPE je mezinárodní výzkumný projekt, jehož cílem je zvýšit globální produkci potravin zlepšením účinnosti fotosyntézy v potravinářských plodinách pro drobné farmáře v subsaharské Africe s podporou Bill & Melinda Gates Foundation, Foundation for Food & Agriculture Research a britského Foreign, Commonwealth & Development Office.

Počet lidí postižených nedostatkem potravin stále roste a prognózy jasně ukazují, že je třeba změnit úroveň dodávek potravin, aby se změnil tento trend. Provedený výzkum ukazuje efektivní způsob, jak přispět k potravinové bezpečnosti pro lidi, kteří to nejvíce potřebují, a zároveň zabránit tomu, aby pro produkci bylo potřeba více půdy. Zlepšení fotosyntézy je hlavní příležitostí k získání potřebného zvýšení výnosového potenciálu.

Fotosyntéza, přirozený proces, který všechny rostliny používají k přeměně slunečního světla na energii a výnos, je překvapivě neefektivní mnohakrokový proces, na jehož zlepšení výzkumníci projektu RIPE pracovali více než deset let. V této první práci svého druhu, publikované v časopisu Science, skupina vnesla genový konstrukt VPZ do rostlin sóji, aby zlepšila fotosyntézu, a poté provedla polní pokusy, aby zjistila, zda by se v důsledku toho zvýšil výnos.

Konstrukt VPZ obsahuje tři geny (violaxantin deepoxidáza, podjednotka S fotosystému II a zeaxantin epoxidáza), které kódují proteiny xantofylového cyklu, což je pigmentový cyklus, který pomáhá při fotoochraně rostlin. Jakmile jsou listy plné slunečního světla, aktivuje se tento cyklus v listech, aby je chránil před poškozením a umožnil listům rozptýlit přebytečnou energii. Když jsou však listy zastíněny (jinými listy, mraky nebo sluncem pohybujícím se po obloze) je třeba tuto fotoochranu vypnout, aby listy mohly pokračovat v procesu fotosyntézy za sníženého slunečního světla. Vypnutí ochranného mechanizmu rostlině trvá několik minut, což rostliny stojí drahocenný čas, který by mohl být využit k fotosyntéze.

Zvýšená exprese tří genů z konstruktu VPZ urychluje tento proces, takže pokaždé, když list přejde ze světla do stínu, fotoochrana se vypne rychleji. Listy získávají minuty fotosyntézy navíc, které, když se sčítají během celého vegetačního období, zvyšují celkovou výkonost fotosyntézy. Tento výzkum ukázal, že i přes dosažení více než 20% zvýšení výnosu nebyla ovlivněna kvalita semen. Navzdory vyššímu výnosu se obsah bílkovin a oleje v semenech nezměnil. To naznačuje, že část energie získané navíc zlepšenou fotosyntézou byla pravděpodobně odvedena do bakterií fixujících dusík v hlízkách rostlin.

Vědci svůj nápad nejprve otestovali na rostlinách tabáku kvůli snadné genetické transformaci této plodiny a množství semen, které může produkovat jedna rostlina. Tyto skutečnosti umožňují výzkumníkům přejít od genetické transformace k polnímu pokusu během několika měsíců. Jakmile byla koncepce prokázána u tabáku, přešli ke složitějšímu úkolu vložit konstrukt VPZ do potravinářské plodiny, sóji.

Podstatné zvýšení výnosů jak u tabáku, tak u sóji, dvou velmi odlišných plodin, které nyní vědci prokázali, naznačuje, že koncepce má univerzální použitelnost. Studie ukazuje, že realizace zlepšení výnosů je silně ovlivněna vnějším prostředím. Je důležité určit opakovatelnost získaného výsledku napříč prostředími a dalšími vylepšeními, aby byla zajištěna environmentální stabilita nárůstu.

Hlavním dopadem této práce je prokázání, že bioinženýrství fotosyntézy může zvýšit výnosy a produkci hlavních potravinářských plodin. Je to začátek potvrzení, že myšlenky obsažené v projektu RIPE jsou úspěšným prostředkem ke zvýšení výnosů hlavních potravinářských plodin.

Projekt RIPE a jeho sponzoři se zavázali zajistit globální přístup a zpřístupnit technologie projektu farmářům, kteří je nejvíce potřebují, se zaměřením na subsaharskou Afriku, jednu z oblastí s nejrychleji rostoucí produkcí sóji na světě. Podle Soybean Innovation Lab zaznamenala tato plodina v dané oblasti nárůst osetých ploch i domácí poptávky.

Pro vědce to byla cesta trvající víc než čtvrt století. Nejprve začali teoretickou analýzou účinnosti fotosyntézy plodin, simulací celého procesu pomocí složitých výpočtů, následovanou optimalizací metod, která ukázala několik překážek v procesu u vybraných plodin. Finanční podpora za posledních 10 let nyní umožnila vědcům zmírnit některé z naznačených překážek a testovat produkty v provozních podmínkách.

Zdroj:
De Souza A.P., Burgess S.J., Doran L. et al. (2022): Soybean photosynthesis and crop yield are improved by accelerating recovery from photoprotection. Science: 377 (6608): 851-854. doi: 10.1126/science.adc9831.