W 2050 r. liczba mieszkańców Ziemi wynosić będzie ponad 9 mld. Z szacunków Organizacji Narodów Zjednoczonych do spraw Wyżywienia i Rolnictwa (FAO) sprzed kilku lat wynika, że aby dla wszystkich starczyło jedzenia, trzeba będzie zwiększyć produkcję żywności aż o 60 proc. (w relacji do zbiorów z lat 2005-2007 r.). Bardzo trudno będzie to osiągnąć po prostu zwiększając obszary rolne. Naukowcy szukają więc sposobów, by z takiej samej powierzchni uzyskiwać większe plony.
Światełkiem nadziei są badania, które trafiły na okładkę najnowszego tygodnika „Science”. Pierwszą autorką badań – obok Johannesa Kromdijka – jest dr hab. Katarzyna Głowacka, związana z Instytutem Genetyki Roślin PAN w Poznaniu. Naukowcy swoje badania przeprowadzali na Uniwersytecie w Illinois (USA).
Biolodzy odkryli, jak – za pomocą modyfikacji genetycznej – usprawnić przebieg fotosyntezy. Dzięki temu rośliny mogą szybciej „reagować” na korzystne warunki świetlne i wykorzystywać więcej energii słonecznej. A to z kolei sprawia, że rosną szybciej i są większe aż o 15 proc. w stosunku do roślin kontrolnych.
Na razie badania przeprowadzono na roślinie modelowej – tytoniu, ale badacze nie wątpią, że podobny efekt można będzie obserwować u innych roślin. Na przeprowadzenie takich badań potrzeba jednak czasu.
Ludzie chronią się przed nadmiarem słońca np. zakładając okulary słoneczne. Roślinom też przeszkadza, kiedy światło jest zbyt intensywne – może ono niszczyć ich tkanki. Dlatego w ich liściach obecne są związki chemiczne, dzięki którym nadmiar energii zamieniany jest na ciepło. Tzw. mechanizm NPQ (niefotosyntetyczne gaszenie wzbudzenia) to – w wielkim uproszczeniu – ich odpowiednik naszych okularów słonecznych.
Żeby jednak założyć swoje „ciemne okulary” – czyli uruchomić całą tą chemiczną maszynerię broniącą przed nadmiarem światła – potrzeba roślinie co najmniej kilku minut. Wyhamowanie całego tego procesu też nie jest szybkie – niekiedy zajmuje całą godzinę. A przez ten czas sporo się może zdarzyć.
– Światło w ciągu dnia nie jest stałe – mówi dr Głowacka. – A to pojawią się chmury, a to zawieje wiatr i zmieni położenie liścia, a to zmieni się kąt padania słońca i liść skryje się w cieniu – wymienia.
My wiemy, że w cieniu lub w ciemnościach okulary przeciwsłoneczne są tylko przeszkodą. Tak samo roślina – kiedy jest w cieniu, niepotrzebnie przerabia energię słońca na ciepło. To czyste marnotrawstwo! Przecież w tym czasie mogłaby wykorzystywać światło do fotosyntezy. A dzięki temu szybciej rosnąć.
– Okazuje się, że przez ten zbyt powolny mechanizm NPQ roślina traci ze słońca w sumie kilka godzin dziennie – opowiada dr Głowacka.
Wspólnie z zespołem badaczka pokazała, że za pomocą zwiększenia ekspresji genów odpowiedzialnych za proces NPQ można sprawić, że roślina będzie miała „większy refleks” i szybciej będzie reagowała na zmiany oświetlenia.
– Sprawdziliśmy to w osobnych doświadczeniach: na polu – w warunkach niekontrolowanych, oraz w szklarni – w warunkach częściowo kontrolowanych. W obu typach doświadczeń uzyskaliśmy podobny wynik: zmodyfikowane rośliny były o 15 proc. większe. I mówimy tu zarówno o korzeniach, o pędach, jak i o liściach – opisuje badaczka.
Dodaje, że na razie nie sprawdzano jeszcze, czy również nasiona i owoce będą zauważalnie większe. Naukowcy chcą to jednak przetestować w kolejnych doświadczeniach, m.in. na ryżu. Potem przyjdzie czas na soję, maniok czy sorgo – rośliny, które mogą stanowić podstawę wyżywienia w krajach rozwijających się, gdzie brakuje pożywienia.
Dr Głowacka zaznacza, że mechanizmy dotyczące fotosyntezy u różnych roślin są do siebie bardzo podobne. Dlatego – według niej – otrzymanie podobnych wyników u innych roślin uprawnych na drodze tej samej modyfikacji to kwestia czasu.
– My w tych badaniach jako pierwsi na świecie pokazaliśmy – mając odpowiednią ilość przekonujących danych doświadczalnych – że poprzez modyfikacje w procesie fotosyntezy można otrzymać większe plony – podsumowuje badaczka.
Na razie w ramach kontrolowanego eksperymentu do tytoniu wprowadzono geny z innej rośliny – rzodkiewnika pospolitego. Nowa roślina jest więc, formalnie rzecz biorąc, organizmem zmodyfikowanym genetycznie. A z hodowlą GMO związane są liczne obostrzenia. Skoro jednak wiadomo już, jakie genetyczne mechanizmy odpowiadają za sprawniejszą fotosyntezę, to łatwiej wpaść na trop innych dróg hodowli roślin o pożądanych cechach. Może się np. okazać, że wystarczy jedynie wzmocnić ekspresję genów już w danym gatunku obecnych. Tak wyhodowane rośliny nie są już traktowane jako GMO i znacznie łatwiej będzie wprowadzić je na rynek.
Badania są częścią projektu RIPE (Realizing Increased Photosynthetic Efficiency) finansowanego przez Fundację Billa i Melindy Gatesów. Celem badań jest zwiększenie wydajności upraw rolnych i w rezultacie ograniczenie głodu i biedy rodzin rolniczych w Afryce subsaharyjskiej i południowo-wschodniej Azji.
Źródło: www.naukawpolsce.pap.pl
