Вчені підвищили врожайність рослин, обдуривши їх захисні механізми

Листя генетично модифікованого тютюну під мікроскопом. Блакитні і пурпурові ділянки показують високу інтенсивність нефотохімічного гасіння, а червоні і жовті - низьку.

Дослідники з Іллінойського університету в Урбані-Шампейні (University of Illinois at Urbana-Champaign, UIUC), Інституту генетики рослин Польської академії наук (м. Instytut Genetyki Ro^ lin Polskiej Akademii Naifuk) та Каліфорнійського університету Створений ними генетично модифікований тютюн важить на 14 - 20% більше своїх «традиційних» побратимів. Результати дослідження опубліковані в журналі Science.

Вчені вибрали тютюн тому, що він легко піддається модифікації. Надалі вони збираються працювати з продовольчими культурами. «Ми не знаємо напевно, чи спрацює цей підхід з іншими культурами, але оскільки ми торкнулися універсального процесу, який у всіх культур працює однаково, ми впевнені, що так», - говорить професор Стівен Лонг (Stephen Long), один з авторів дослідження.

Дослідникам вдалося домогтися збільшення врожайності, «обдуривши» захисні механізми рослин. Так само, як і тварини, наші зелені друзі можуть постраждати від інтенсивного світла. «Листя рослини, яке знаходиться під яскравим сонячним світлом, поглинають більше світла, ніж можуть переробити, - пояснює Лонг. - Якщо вони не зможуть позбутися надлишків цієї енергії, вона знебарвить лист». Щоб захиститися, рослини змінюють перебіг хімічних процесів всередині листя і просто розсіюють зайву енергію як тепло. Цей процес називається нефотохімічним гасінням (далі - НФТ). «Але коли аркуш потрапляє в тінь іншого аркуша або хмара затуляє сонце, на те, щоб процеси нефотохімічного гасіння припинилися, може піти до півгодини, - додає професор. - У тіні брак світла обмежує фотосинтез, і до того ж НФТ витрачає світло як тепло». У 2004 році Лонг і його колеги розрахували, наскільки повільне «розслаблення» після НФТ зменшує продуктивність культури протягом дня. Виявилося, що, залежно від виду рослини і температури, вона знижується на 7,5 - 30%.

Для того щоб рослини швидше поверталися у звичний стан, вчені вирішили додати додаткові копії трьох генів, які кодують білки, відповідальні за «зняття захисту». Більша кількість протеїнів повинна була прискорити реакцію рослини на тінь. Дослідники взяли ці гени у добре вивченого модельного організму - резуховидки Таля - і вбудували їх у тютюн. Після тестів в лабораторії і теплиці, модифіковану рослину посадили на поле поруч з Іллінойським університетом. Через 22 дні вони отримали тютюн, який важив на 14 - 20% більше своїх немодифікованих побратимів.

Головне питання в тому, чи вдасться зробити те ж саме з овочами або злаками. «Тютюн вирощують заради листя, і вони значно збільшилися, - говорить Йоганнес Кромдійк (Johannes Kromdijk), один з авторів дослідження. - Але що стосується сільгоспкультур, нам потрібно буде збільшити ті частини рослини, які ми їмо - будь то плід, насіння або коріння». Вчені вже почали експерименти над рисом і кукурудзою. Вони сподіваються, що інші наукові групи знайдуть спосіб «приводити рослини в почуття» ще швидше, а значить, отримають більше біомаси. Можливо, того ж ефекту можна досягти без перенесення генів між різними видами. Як правило, рослини «вимикають» зайві копії своїх генів, але за допомогою CRISPR або іншої техніки редагування вчені могли б обійти цей бар'єр і працювати з генетичним матеріалом самого виду.