Частично неэффективность фотосинтеза вызвана тем, что фотосинтез появился больше двух миллиардов лет назад, когда в атмосфере Земли еще не было кислорода. Из-за этого при фиксации углекислого газа ключевой энзим (по имени RuBisCO) делает ошибку примерно в одном случае из четырех, и вместо углекислого газа реакция происходит с кислородом. Подобный процесс называется фотореспирацией и понижает эффективность фотосинтеза и продуктивность сельскохозяйственных культур почти вдвое.
Побороть фотореспирацию можно несколькими способами. Можно убирать кислород из атмосферы и замещать его углекислым газом, что и делается человечеством путем сжигания ископаемого топлива. Однако этот процесс (мягко говоря) приводит ко множеству побочных эффектов и не дает полного решения проблемы фотореспирации. Другое решение это использование растений, которые могот создавать богатую углекислым газом атмосферу внутри фотосинтезирующих клеток и таким образом увеличивать свою эффективность. Это в первую очередь кукуруза и сахарный тростник. Однако этот метод нельзя распространить на другие сельскохозяйственные культуры.
Наконец, можно попробовать генетическую модификацию растений на самой главной стадии фотосинтеза. Теоретически, можно заставить растения производить улучшенную версию RuBisCO который не будет реагировать с кислородом. Это возможно, вот только мы не еще понимаем, какой эта улучшенная версия должна быть: наше понимание работы энзимов еще недостаточно для дизайна их улучшенных версий. Сейчас идет большая работа по использованию ИИ для решения этой проблемы, но совершенно непонятно, сколько времени это займет.
Один из авторов статьи замораживает экспериментальные растения жидким азотом для химического анализа
Но есть и другой путь. В недавней публикации группы ученых из Университа Иллинойса они продемонстрировали, как можно уменьшить энергетические затраты на ликвидацию последствий фотореспирации путем введения в растения новых генов взятых их фотосинтезиющих бактерий. При этом изменяются основные биохимические пути в этих растениях. Пока что получено увеличение эффективности примерно в 13%, но это только начало. Этот подход может работать на любых растениях и привести к новой революции в сельском хозяйстве.
Комментарии (21)
DaneSoul
07.02.2019 02:30Другое решение это использование растений, которые могот создавать богатую углекислым газом атмосферу внутри фотосинтезирующих клеток и таким образом увеличивать свою эффективность. Это в первую очередь кукуруза и сахарный тростник.
С4-фотосинтез более энергозатратен, чем обычный.
С4-фотосинтез это не решение проблемы эффективности, а решение проблемы нехватки CO2 в жарком климате, где растения вынуждены держать устьица закрытыми, что препятствует поступлению CO2 в лист.
Umrug
07.02.2019 02:38Для тех кому интересно почему именно кукуруза и сахарный тростник: они используют C4-фотосинтез (https://en.wikipedia.org/wiki/C4_carbon_fixation). Есть также C3 и CAM, плюс есть растения могущие переключаться с CAM на C3 или C4 в зависимости об обстоятельств (связано с влажностью и температурой воздуха), например портулак.
sergeyns
07.02.2019 11:04Нда… сейчас начнут кидать помидорами, но становиться страшновато. Потому что лезут туда, где еще много чего изучать, причем лезут на уровне «фигаг-фигаг и в продакшн». Тем кто думает что все изучено и понятно, небольшой пример:
лет 50 назад кидали помидоры в тех кто говорил об обратной транскрипции.
лет 40 назад казалось что уже точно известно, что такое вирусы, как работает синтез белка, репликация ДНК и синтез РНК… а потом нашли прионы (возбудители коровьего бешенства), у которых всё оказалось совсем не так (белки размножаются без участия ДНК/РНК).
Будет весело если вдруг окажется что и обратная трансляция возможна (пока за это тоже закидывают помидорами) — и страхи съесть ГМО продукт и отрастить жабры окажутся реальными :) (кстати, про кучу новых аллергий сторонники безопасности ГМО обычно не распространяются)tendium
07.02.2019 12:55Во-первых, никто ничего не собирается сразу выдавать в продакшн, как вы выразились. Во-вторых, если не будут изучать путём экспериментов (а именно они нужны, чтобы понять, что на что влияет и как взаимодействует — ибо у нас нет фундаментальных представлений по множеству направлений науки), то не изучат никак. Ну и, в-третьих, что за ересь про «кучу новых аллергий» в контексте ГМО? ГМО, чтобы вы знали, наоборот может помочь людям, страдающим от аллергии, путём удаления аллергенных белков из культивируемых организмов.
sergeyns
07.02.2019 13:33Ну например, решили повысить устойчивость картошки к колорадскому жуку, добавив картофелю гены, отвечающие за синтез какого-нибудь белка из овоща X. А человек с аллергией на Х поест такой картошечки…
sergeyns
07.02.2019 13:47Почему-то за такое предположение сторонники ГМО начинают очень бурно кипеть. Что не так в таком предположении? Якобы маленькая вероятность что у кого-то аллергия именно на тот «белок, который дает устойчивость к жуку»?
0serg
07.02.2019 15:37+3Якобы маленькая вероятность что у кого-то аллергия именно на тот «белок, который дает устойчивость к жуку»?
Значительно большая вероятность того что у человека будет аллергия на какой-то другой белок, в том числе получившийся при обычной селекции. Почитайте историю картофеля B5141-6 к примеру. Заведомо невозможно исключить все мыслимые риски, можно только свести риски к разумно низкому уровню. А для ГМО эти риски не выше (а если смотреть на вещи реалистично — в разы ниже из-за внимания к ГМО) чем для обычной селекции которую пока вроде никто слишком опасной практикой не считает.tendium
07.02.2019 21:34Добавлю, что для ГМО требуются различные проверки и тесты, которые никто не требует проводить для не-ГМО продукции. Так что один этот факт делает риск проблем с ГМО-продукцией ниже, чем с продукцией традиционного СХ.
Bedal
08.02.2019 07:18Почитайте непопсовое описание основного метода современной селекции. Прямо первый вопрос на госах в сельхозинституте:
http://bedal.ru/files/Otvety-voprosy-gosudarstvennomu-ekzamenatsionnomu-ekzamenu-(gosy)-01-08.pdf
и — подумайте, откуда скорее можно ожидать неожиданной аллергии. Кстати, именно таким способом получены практически все сорта культурных растений за последние лет так 70. То есть всё растительное, что мы едим.
tendium
07.02.2019 21:33Например, вы правы. Но как это связано с нынешней ситуация с якобы «кучей новых аллергий»?
oracle_and_delphi
08.02.2019 09:56Ещё до объединения двух Германий, в ФРГ был высокий уровень аллергий, а в ГДР — они были редкостью. ГМО тогда ещё не было — первое ГМО появилось в 1994 году. В 1990 году Восточная Германия вошла в состав ФРГ, и в ней тоже вырос уровень аллергий.
oracle_and_delphi
08.02.2019 09:46+1Будет весело если вдруг окажется что и обратная трансляция возможна (пока за это тоже закидывают помидорами) — и страхи съесть ГМО продукт и отрастить жабры окажутся реальными
ДНК так легко не переносится! * фейс-палм! *
Иначе ты сожрав суши из сырой рыбы — отрастил бы жабры без всякого ГМО!
Потому что ГМО-ДНК от обычной ничем в принципе не отличается!
Чтобы ДНК при сжирании чего-либо перенеслось — нужен вирус устойчивый к желудочному соку!
То есть выпив пробирку с, отнюдь не ГМО, а «органик», вирусами (чья оболочка устойчива к желудочному соку), получишь изменения ДНК в тех клетках куда проник этот вирус.sergeyns
08.02.2019 20:01Ждал подобный коммент с разъяснениями основ биохимии)). На всякий случай в самом первом посте привел 2 утверждения, казавшихся ранее не менее незыблемыми чем обратная трансляция… но не помогло ))).
potan
07.02.2019 13:11+1Пора уже учить растения питаться электичеством. У полупроводников КПД больше.
Stepan555
07.02.2019 14:42В глюкозе и других продуктах фотосинтеза запасается обычно 1-2% от энергии падающего света
процесс называется фотореспирацией и понижает эффективность фотосинтеза и продуктивность сельскохозяйственных культур почти вдвое
Да чего там мелочиться с респирацией, выводите сразу фикусы с растущими кремниевыми фотоэлементами вместо листьев! :-)
alashkov83
В заметке много фактических ошибок: фермент rubisco не по ошибке
захватывает кислород- это вторая функция фермента оксигеназная в результате неё осуществляется синтез ФГК и по-видимому эта функция важна для растений. Оксигеназная функция наоборот появилась у высших растений когда в атмосфере стало много свободного кислорода. У бурых водорослей фермент крайне специфичен к углекислому газу и работы по генной инженерии ведутся чтобы перенести фермент бурых водорослей к культурным растениям. Это должно якобы увеличить урожайность однако выключения оксигеназной активности может нарушить метаболические пути. В статье неплохо бы рассказать ещё о двух фазах фотосинтеза и о роли rubisco именно во второй стадии.
Uris
Я тоже согласен, что в природе всё задумано не так просто, как кажется на первый взгляд. Даже если это взгляд группы ученых из Университа Иллинойса…
mwizard
А мужики-то и не знают.Расскажете о механизмах, которые использует природа для того, чтобы задумывать всякие вещи?Uris
Не по адресу запрос. Я не бог. Это Он о всех механизмах знает. Его кабинет выше. Дверь как раз напротив морга.
carpaccio Автор
А что вы имеете в виду под «ФГК»? Если фосфоглицерат, то он никаких оксигеназ для его синтеза не требуется. А если фосфогликолат, то никакой пользы от него растениям не видно.