Gen BOOSTER u topoli ulega wzmocnieniu fotosynteza i biomasy, z potencjalnymi zastosowaniami w zakresie poprawy plonów.
Naukowcy z Centrum Zaawansowanych Innowacji Bioenergii i Bioproduktów na Uniwersytecie Illinois Urbana-Champaign, we współpracy z Centrum Innowacji Bioenergii w Oak Ridge National Laboratory, odkryli gen u topoli, który poprawia fotosyntezę i może zwiększyć wysokość drzewa.
Chloroplasty to główne struktury komórkowe, w których mieści się aparat fotosyntetyczny przekształcający energię świetlną w energię chemiczną, która napędza wzrost roślin. W szczególności białko Rubisco wychwytuje dwutlenek węgla z atmosfery. Naukowcy od lat pracują nad sposobami zwiększenia ilości Rubisco w roślinach w celu zwiększenia plonów i absorpcji atmosferycznego CO2.
„Historycznie rzecz biorąc, wiele badań skupiało się na fotosyntezie w stanie ustalonym, w której wszystkie warunki są utrzymywane na stałym poziomie. Nie jest to jednak reprezentatywne dla środowiska terenowego, w którym światło może się ciągle zmieniać” – powiedział Steven Burgess, adiunkt biologii integracyjnej w Illinois. „W ciągu ostatnich kilku lat te dynamiczne procesy uznano za ważniejsze i nie są dobrze poznane”.
Odblokowanie potencjału genetycznego w topolach
W nowym badaniu naukowcy skupili się na topoli, ponieważ jest to szybko rosnąca roślina uprawna i wiodący kandydat do produkcji biopaliw i bioproduktów. Pobrali próbki z około 1000 drzew na poletkach badawczych na świeżym powietrzu i przeanalizowali ich cechy fizyczne oraz skład genetyczny, aby przeprowadzić badanie asocjacji obejmujące cały genom. Zespół wykorzystał populację GWAS do poszukiwania genów kandydujących, które powiązano z wygaszaniem fotosyntezy – procesem regulującym szybkość, z jaką rośliny dostosowują się między słońcem a cieniem oraz rozpraszają nadmiar energii ze zbyt dużej ilości słońca, aby uniknąć uszkodzeń.
Jeden z genów, który nazwali naukowcy PROPAGATORbył niezwykły, ponieważ jest unikalny dla topoli i chociaż znajduje się w genomie jądrowym, zawiera sekwencję pochodzącą z chloroplastu.
Zespół odkrył, że gen ten był w stanie zwiększyć zawartość Rubisco i późniejszą aktywność fotosyntetyczną, w wyniku czego hodowane w warunkach szklarniowych były wyższe rośliny polarne. W warunkach terenowych naukowcy odkryli, że genotypy charakteryzujące się wyższą ekspresją PROPAGATOR były do 37% wyższe, zwiększając biomasę na roślinę. Zespół również się zgłosił PROPAGATOR w innej roślinie, Arabidopsis, lub rzeżucha talarska, co powoduje wzrost biomasy i produkcji nasion. To odkrycie wskazuje na szersze zastosowanie PROPAGATOR potencjalnie wywołać wyższe plony w innych roślinach.
„To ekscytujący pierwszy krok, chociaż są to eksperymenty na małą skalę i jest wiele do zrobienia, jeśli uda nam się odtworzyć wyniki na dużą skalę, gen ten ma potencjał do zwiększenia produkcji biomasy w uprawach, – powiedział Burgess.
Kolejne etapy badań mogą obejmować testy na innych roślinach bioenergetycznych i spożywczych, podczas których badacze będą rejestrować produktywność roślin w różnych warunkach wzrostu, aby przeanalizować długoterminowy sukces. Będą także badać inne geny zidentyfikowane w badaniu GWAS, które mogą przyczynić się do poprawy plonów.
Więcej informacji na temat tego badania można znaleźć w artykule Przełomowy gen przyspiesza wzrost roślin i zwiększa fotosyntezę.
Odniesienie: „An sierocy gen BOOSTER zwiększa wydajność fotosyntezy i produktywność roślin” Biruk A. Feyissa, Elsa M. de Becker, Coralie E. Salesse-Smith, Jin Zhang, Timothy B. Yates, Meng Xie, Kuntal De, Dhananjay Gotarkar, Margot SS Chen, Sara S. Jawdy, Dana L. Carper, Kerrie Barry, Jeremy Schmutz, David J. Weston, Paul E. Abraham, Chung-Jui Tsai, Jennifer L. Morrell-Falvey, Gail Taylor, Jin-Gui Chen, Gerald A. Tuskan i Wellington Muchero, 3 grudnia 2024 r., Komórka Rozwojowa.
DOI: 10.1016/j.devcel.2024.11.002
Badania były wspierane przez CBI i CABBI, oba sponsorowane przez Program Badań Biologicznych i Środowiskowych Biura Naukowego DOE.
