Сотрудники университета Корнелла описали в статье для журнала Science Advances свой прорыв в улучшении фотосинтеза некоторых продовольственных культур. Ученые придумали, как адаптировать растения к быстрым изменениям климата и увеличению урожайности, чтобы к 2050 году прокормить прогнозируемые 9 млрд человек.

Они разработали вычислительный метод, который позволил ученым определить перспективные ферменты-кандидаты для улучшенного фотосинтеза растений. Их можно внедрить в современные сельскохозяйственные культуры и, в конечном счете, повысить урожайность.

Новый метод опирался на историю эволюции. Исследователи предсказали состояние генов рибулозобисфосфаткарбоксилазы (RuBisCO) 20–30 млн лет назад, когда уровень углекислого газа на Земле был выше, чем сегодня. Тогда ферменты RuBisCO в растениях были адаптированы к таким экстремальным уровням.

Рибулозобисфосфаткарбоксилаза — фермент, катализирующий присоединение углекислого газа к рибулозо-1,5-бисфосфату на первой стадии цикла Кальвина, а также реакцию окисления рибулозобифосфата на первой стадии процесса фотодыхания.

Фактически, ученые «возродили» древний фермент, чтобы улучшить его для включения в сельскохозяйственные культуры. Это поможет им в адаптации к жарким и засушливым условиям будущего климата, поскольку деятельность человека увеличивает концентрацию удерживающего тепло газа CO₂ в атмосфере Земли.

Современный вариант RuBisCO «вытягивает» углерод из CO₂ для создания сахаров, но делает это очень медленно. Кроме того, иногда он катализирует реакцию с кислородом воздуха и создает токсичный побочный продукт, тратит энергию и делает фотосинтез неэффективным. Теперь ученые реконструировали филогенез Rubisco, используя растения Solanaceae.

«Получив множество [генетических] последовательностей Rubisco в существующих растениях, можно построить филогенетическое дерево, чтобы выяснить, какие RuBisCO, вероятно, существовали 20–30 млн лет назад», — объясняют авторы исследования.

Древние ферменты RuBisCO, предсказанные на основе современных растений Solanaceae, показали реальные перспективы в плане большей эффективности. В дальнейшем ученые попробуют заменить гены существующего фермента RuBisCO в табаке (модельном растении) наследственными последовательностями с использованием технологии CRISPR. Затем они измерят, как это повлияет на производство биомассы.