W skrócie
- Naukowcy odkryli mechanizm molekularny w glewikach umożliwiający bardziej efektywne wychwytywanie dwutlenku węgla podczas fotosyntezy.
- Badania wykazały, że kluczową rolę w tym procesie odgrywa zmodyfikowany enzym Rubisco z dodatkowym fragmentem białka RbcS-STAR, który pozwala tworzyć jego skupiska.
- Eksperymenty sugerują, że wprowadzenie tego mechanizmu do roślin uprawnych może potencjalnie przyczynić się do zwiększenia plonów, chociaż wciąż konieczne są dalsze badania nad efektywnym dostarczaniem dwutlenku węgla.
- Więcej podobnych informacji znajdziesz na stronie głównej serwisu, otwiera się w nowym oknie
Międzynarodowy zespół badaczy odkrył niezwykły mechanizm wykorzystywany przez rośliny z grupy glewików. Badania prowadzone przez naukowców z Boyce Thompson Institute, Cornell University i University of Edinburgh pokazują, że pewien gatunek glewika Phaeoceros laevis, potrafi znacząco zwiększyć efektywność fotosyntezy. To odkrycie może mieć duże znaczenie dla rolnictwa.
Kluczowym elementem jest enzym Rubisco. To on odpowiada za wychwytywanie dwutlenku węgla z atmosfery podczas fotosyntezy. "Rubisco jest prawdopodobnie najważniejszym enzymem na planecie, ponieważ stanowi punkt wejścia dla niemal całego węgla w jedzeniu, które spożywamy" - mówi Fay-Wei Li z Boyce Thompson Institute, współautor badań. Jednocześnie enzym ten działa zaskakująco wolno. Co więcej, często reaguje z tlenem zamiast z dwutlenkiem węgla.
Zobacz również:
Taka pomyłka prowadzi do strat energii w komórce roślinnej. W efekcie rośliny nie wykorzystują w pełni dostępnego światła i dwutlenku węgla. To jedno z głównych ograniczeń wydajności fotosyntezy.
Enzym gromadzi więcej dwutlenku węgla
Niektóre organizmy wykształciły jednak sposób na obejście tego problemu. Wiele gatunków glonów skupia Rubisco w mikroskopijnych strukturach zwanych pirenoidami. Dzięki temu wokół enzymu gromadzi się więcej dwutlenku węgla, co przyspiesza reakcję fotosyntezy.
Od lat naukowcy próbują wprowadzić taki system do roślin uprawnych. Problem polega na tym, że mechanizm obecny u glonów trudno przenieść do innych gatunków. Układ molekularny jest zbyt złożony.
Przełom przyniosły badania nad glewikami. To jedyne znane rośliny lądowe posiadające struktury koncentracji dwutlenku węgla podobne do pirenoidów. Ponieważ są ewolucyjnie bliższe roślinom uprawnym niż glony, naukowcy podejrzewali, że ich mechanizm może być łatwiejszy do wykorzystania.
Okazało się jednak, że glewiki stosują zupełnie inne rozwiązanie. Zamiast specjalnego białka zbierającego Rubisco, zmodyfikowały sam enzym. To odkrycie zaskoczyło badaczy.
"Zakładaliśmy, że glewiki używają czegoś podobnego do mechanizmu znanego z glonów - oddzielnego białka, które skupia Rubisco" - mówi Tanner Robison z Boyce Thompson Institute. "Zamiast tego odkryliśmy, że zmodyfikowały sam enzym, aby wykonywał tę funkcję".
Zobacz również:
Roślina ma molekularny rzep
Kluczową rolę odgrywa fragment białka nazwany przez badaczy RbcS-STAR. W glewikach jedna z części budujących Rubisco zawiera dodatkowy fragment, który działa jak molekularny rzep. Dzięki temu cząsteczki enzymu łączą się w większe skupiska.
Aby sprawdzić, czy mechanizm działa także w innych roślinach, naukowcy przeprowadzili eksperymenty genetyczne. Wprowadzili białko RbcS-STAR do innego gatunku glewika, który nie posiada pirenoidów. W rezultacie Rubisco zaczął tworzyć skoncentrowane struktury przypominające te obecne w Phaeoceros laevis.
Podobny efekt uzyskano również u modelowej rośliny laboratoryjnej Arabidopsis thaliana. Enzym zaczął organizować się w zwarte skupiska wewnątrz chloroplastów. To sugeruje, że mechanizm może działać także w roślinach uprawnych.
Zdaniem badaczy odkrycie może mieć duże znaczenie dla przyszłości rolnictwa. Nawet niewielka poprawa wydajności fotosyntezy mogłaby zwiększyć plony upraw przy tej samej powierzchni pól. To szczególnie ważne w kontekście rosnącej populacji świata.
Rozwiązania technologiczne są w samej naturze
Przed naukowcami wciąż stoją jednak kolejne wyzwania. Samo skupienie enzymu nie wystarczy, jeśli roślina nie będzie w stanie skutecznie dostarczać do niego dwutlenku węgla. Badacze porównują ten etap do budowy domu bez systemu wentylacji.
Zobacz również:
"Mamy już dom dla Rubisco, ale nie będzie on działał wydajnie, dopóki nie zmodernizujemy jego systemu HVAC" - mówi Laura Gunn z Cornell University. Zespół pracuje teraz nad rozwiązaniem tego problemu.
Badanie opublikowano w czasopiśmie Science. Autorzy podkreślają, że odkrycie pokazuje, jak wiele rozwiązań technologicznych można znaleźć w samej naturze.
"To badanie pokazuje, że natura już przetestowała rozwiązania, z których możemy się uczyć" - mówi Li. "Naszym zadaniem jest zrozumieć je na tyle dobrze, aby zastosować je w roślinach, które karmią świat".
