Как можно увеличить эффективность фотосинтеза с целью повышения урожайности
Обновлено: 07.07.2024
Преобразование солнечного света в альтернативные формы энергии могло бы решить проблему потребления невозобновляемых ресурсов топлива. Можно ли увеличить урожайность, биомассу и избавиться от продовольственного кризиса таким способом?
Как происходит реакция фотосинтеза
Суть фотосинтеза в том, что энергия видимого света превращается в энергию химических связей органических веществ.
Иначе говоря, с помощью энергии света организм отрывает электроны от молекулы и переносит их на молекулы углекислого газа, восстанавливая и превращая в молекулы органического вещества, которое потом можно будет опять окислить, получив энергию.
Вся система реакций фотосинтеза растений в одной схеме: 6СО2 + 6H2O = глюкоза (С6H12О6) + 6О2.
Одна из ключевых стадий этого сложного и многоступенчатого процесса — связывание углекислого газа. При этом углекислый газ присоединяется к соединению, называемому рибулоза(1,5)бифосфат, — это сахар с двумя фосфатными группами.
А направляет эту реакцию фермент — рибулозобисфосфаткарбоксилаза, или рубиско (RuBisCO).
RuBisCO — это фермент, который представляет собой абсолютно комплекс из 16 сразу белковых цепей. Большинство ферментов катализирует тысячи химических превращений каждую секунду.
Однако рубиско обрабатывает всего от 3 до 10 молекул углекислого газа в зависимости от условий. Такое низкое качество работы фермента можно компенсировать лишь его количеством: по массе на него приходится до 30% всех водорастворимых белков растений, что делает его самым распространенным белком на планете.
Виды фотосинтеза
У живых организмов есть два типа пигментов, способных выполнять функцию фотосинтетических приемников (антенн).
У подавляющего большинства организмов роль антенн играют хлорофиллы; менее распространен случай, при котором в качестве антенны служит производное витамина А ретиналь. В соответствии с этим выделяют хлорофилльный и бесхлорофилльный фотосинтез.
Система бесхлорофилльного фотосинтеза отличается значительной простотой организации, в связи с чем предполагается эволюционно первичным механизмом запасания энергии электромагнитного излучения. Эффективность бесхлорофилльного фотосинтеза как механизма преобразования энергии сравнительно низка (на один поглощенный квант переносится лишь один H + ).
Хлорофилльный фотосинтез отличается от бактериородопсинового значительно большей эффективностью запасания энергии. На каждый эффективно поглощенный квант излучения против градиента переносится не менее одного H + .
Аноксигенный
Аноксигенный (или бескислородный) фотосинтез протекает без выделения кислорода. К аноксигенному фотосинтезу способны пурпурные и зеленые бактерии, а также гелиобактерии.
Оксигенный
Оксигенный, или кислородный фотосинтез сопровождается выделением кислорода в качестве побочного продукта. При оксигенном фотосинтезе осуществляется нециклический электронный транспорт, хотя при определенных физиологических условиях осуществляется исключительно циклический электронный транспорт. В качестве донора электронов при нециклическом потоке используется крайне слабый донор электронов — вода.
Проблема голода в сельском хозяйстве
Население Земли, несмотря на второй демографический переход, постоянно растет. Если бы мы могли по своему желанию увеличивать плодородность соразмерно росту населения, большой проблемы бы не было.
Однако сегодня человек освоил где-то треть пригодных для сельского хозяйства земель. Практически все пригодные для этого территории Южной Азии, на Ближнем Востоке и Северной Америке уже распаханы, а освоение оставшихся районов грозит нам эрозией.
Место на планете может просто закончиться, поэтому нужно находить новые способы увеличивать производство продуктов. Это ранее уже удавалось сделать.
Как ускорить фотосинтез
Краеугольный камень этой проблемы — рубиско, фермент, о котором мы уже говорили.
Однако это оказалось не так легко. Направленный мутагенез отдельных аминокислотных остатков не привел к каким-либо заметным результатам.
Также к нему применяли метод прямой эволюции ферментов: в нем методом внесения случайных мутаций создается огромная коллекция генных вариантов рубиско. Все это разнообразие применили на кишечной палочке — Escherichia coli. При использовании такого подхода исследователям удалось увеличить активность рубиско цианобактерий, отлично работающей в клетках кишечной палочки.
Но на этом ученые не сдались. Они придумали новую идею: увеличить количество рубиско, так как листья растений буквально заполнены им. Для этого авторы использовали ГМО-методы. Однако одной лишь сверхэкспрессии генов рубиско не хватало — для сборки фермента необходимо что-то еще.
За прошедшие годы выяснилось, что в сборке рубиско принимают участие сразу несколько белков-укладчиков — RAF1 и RAF2 (RuBisCO Assembly Factor). Подобные белки (их называют шапероны), как правило, стабилизируют цепь собираемого белка во время сборки, давая ему время свернуться правильным образом.
Поэтому авторы учли эти условия, и в результате общее содержание рубиско в листьях трансгенной кукурузы выросло на 30%.
Из-за этого совсем не весь дополнительный фермент оказался вовлечен в процесс фотосинтеза. Однако вопреки всему итоговая фиксация углекислого газа все-равно выросла на 15%. Это заметно ускорило рост ГМ-кукурузы.
В результате исследования китайским ученым в 2020 году удалось ускорить фотосинтез водорослей и цветка. Ученые ускорили фотосинтез зеленой водоросли Chlorella pyrenoidosa и высшего растения Arabidopsis thaliana с помощью светособирающего полимера. Полимер повышал их активность фотосинтетических систем за счет электростатического и гидрофобного связывания со стенками фотосинтезирующих клеток.
По словам авторов, благодаря хорошей способности поглощать зеленый свет, растворимости в воде и биосовместимости подобные синтетические полимеры потенциально пригодны для применения в производстве биотоплива, а также развития энергетики и экологии.
Вывод
В настоящее время фотоэлектрические элементы, действующие в водяной среде, работоспособны, но явно несовершенны. Искусственный фотосинтез все-таки вполне эффективен в качестве инструмента для связывания атмосферного углерода и при этом дает стабильный поток заряженных частиц (протонов и электронов).
Таким образом, фотосинтезирующие элементы можно было бы сочетать с солнечными батареями — например, уже сегодня устанавливаемыми на крышах частных домов в США.
Солнечная батарея могла бы отдавать часть получаемой энергии на электролиз. В таком случае подключенные к ней фотоэлектрические элементы участвовали бы в связывании углекислого газа и расщеплении воды с получением водорода, который является экологически чистым топливом.
Развитие катализаторов для таких процессов позволило бы не ограничиваться воспроизведением обычного фотосинтеза, а синтезировать, например, белки или ферменты. Мы уже научились масштабировать солнечные батареи, поэтому могли бы вместе с ними масштабировать и фотоэлектрические элементы.
Подобные технологии могли бы поспособствовать разложению токсичных отходов или пластика, давая на выходе водород и энергию.
1. Удобрение органикой (навозом) увеличивает интенсивность фотосинтеза. Углекислый газ, образующийся от гниения, как раз попадает на изнаночную сторону листьев. Поглощение его из воздуха растением - очень трудоёмко.
2. Полив поставляет воду, крайне необходимую дляпервой фазы фотосинтеза.
3. Прополка сорняков убирает конкурентов и освобождает пространство от затеняющего фактора.
4. В условиях парника или теплицы можно продлить световой день искусственно.
ЛЮБЫЕ ПРИЁМЫ грамотной АГРОТЕХНИКИ способствуют фотосинтезу и, соответственно, воздушному питанию растений для их роста и развития.
----------------------------------------------------------------------------------------------------------
Фотосинтетическая функция зеленого растения лежит в основе формирования урожая. Изучение закономерностей роста и развития растений, находящихся в тесной взаимосвязи с процессами фотосинтеза, минерального питания и водного режима растения, — основное направление селекционно-генетических и агротехнических работ, проводимых в мировой сельскохозяйственной практике. Оптимизация условий водоснабжения и минерального питания ведет, прежде всего, к увеличению суммарных размеров фотосинтетической поверхности посева — площади листьев, увеличению оптической и геометрической плотности посевов, и, следовательно, более полному использованию ими приходящей энергии солнечного света и углекислого газа из воздуха. До определенных пределов размер урожая находится в тесной связи с размерами площади листьев, длительностью и интенсивностью их работы. Однако по мере увеличения плотности посевов усиливается взаимное затенение листьев, снижается их освещенность, ухудшается вентиляция посевов, затрудняется поступление к листьям углекислого газа. В результате фотосинтетическая активность растения снижается. Обоснование мероприятий, направленных на усиление факторов, увеличивающих продуктивность растений, и на уменьшение и устранение условий, ограничивающих их продуктивность — главная задача разрабатываемой в нашей стране (А. А. Ничипорович, 1977) и за рубежом теории фотосинтетической продуктивности.
Фотосинтез напрямую или косвенно обеспечивает энергией почти все живые существа на планете. Все зеленые растения, водоросли, и микроорганизмы используют одинаковый механизм получения глюкозы из воды и углекислого газа под действием солнечного света. Однако эффективность фотосинтеза невелика: в глюкозе и других продуктах фотосинтеза запасается обычно 1-2% от энергии падающего света.
Частично неэффективность фотосинтеза вызвана тем, что фотосинтез появился больше двух миллиардов лет назад, когда в атмосфере Земли еще не было кислорода. Из-за этого при фиксации углекислого газа ключевой энзим (по имени RuBisCO) делает ошибку примерно в одном случае из четырех, и вместо углекислого газа реакция происходит с кислородом. Подобный процесс называется фотореспирацией и понижает эффективность фотосинтеза и продуктивность сельскохозяйственных культур почти вдвое.
Побороть фотореспирацию можно несколькими способами. Можно убирать кислород из атмосферы и замещать его углекислым газом, что и делается человечеством путем сжигания ископаемого топлива. Однако этот процесс (мягко говоря) приводит ко множеству побочных эффектов и не дает полного решения проблемы фотореспирации. Другое решение это использование растений, которые могот создавать богатую углекислым газом атмосферу внутри фотосинтезирующих клеток и таким образом увеличивать свою эффективность. Это в первую очередь кукуруза и сахарный тростник. Однако этот метод нельзя распространить на другие сельскохозяйственные культуры.
Наконец, можно попробовать генетическую модификацию растений на самой главной стадии фотосинтеза. Теоретически, можно заставить растения производить улучшенную версию RuBisCO который не будет реагировать с кислородом. Это возможно, вот только мы не еще понимаем, какой эта улучшенная версия должна быть: наше понимание работы энзимов еще недостаточно для дизайна их улучшенных версий. Сейчас идет большая работа по использованию ИИ для решения этой проблемы, но совершенно непонятно, сколько времени это займет.
Один из авторов статьи замораживает экспериментальные растения жидким азотом для химического анализа
Но есть и другой путь. В недавней публикации группы ученых из Университа Иллинойса они продемонстрировали, как можно уменьшить энергетические затраты на ликвидацию последствий фотореспирации путем введения в растения новых генов взятых их фотосинтезиющих бактерий. При этом изменяются основные биохимические пути в этих растениях. Пока что получено увеличение эффективности примерно в 13%, но это только начало. Этот подход может работать на любых растениях и привести к новой революции в сельском хозяйстве.
Ученые из Вагенинского университета обнаружили, что растения используют не более 0,5-1% доступного солнечного света. Они хотят увеличить урожайность культур, повысив эффективность фотосинтеза. Об этом сообщается на сайте университета.
Исследователи обнаружили, что даже отдельные растения одного и того же вида различаются по эффективности использования фотосинтеза. Некоторые растения более эффективно используют солнечную энергию, чем другие. Влияя на естественные генетические вариации, ученым удалось улучшить процесс фотосинтеза.
В настоящее время исследователи из Вагенингена участвуют в проекте фотосинтеза ЕС, изучающем генетические изменения у проса, томатов и кукурузы.
Также ученые изучают процесс, который называется нефотохимическим тушением — когда при большом количестве солнечного света, его часть не используется для фотосинтеза, а излучается в виде тепла.
Ученые хотят выяснить, какие гены ответственны за этот процесс и существуют ли генетические различия в этом отношении. В перспективе они планируют научиться снижать нефотохимическое тушение, не повреждая растение.
Справка. В США, Японии, Канаде, Австралии и других странах ведется детальное изучение биохимической и генетической сущности фотосинтеза с тем, чтобы с помощью метода рекомбинантной ДНК повысить его продуктивность в первую очередь у зерновых культур. Как показали многочисленные исследования, большинство фотосинтетических показателей полигенны и поддаются селекционному улучшению, наряду с традиционно селектируемыми признаками. Установлены статистически достоверные сортовые различия по фотосинтетической активности у пшеницы, ячменя, овса, кукурузы, сои, вики и др.
Исследователи многих научных центров, в том числе университета Вагенингена, изучают различные способы повышения урожайности сельхозкультур. Одна их таких возможностей – более эффективное использование света для роста растений. Оказывается, что хорошо известный, но не до конца изученный процесс фотосинтеза может стать одним из ресурсов повышения урожайности.
Анализируя имеющиеся знания о процессе фотосинтеза, селекционеры полагают, что смогут выращивать культуры, которые более эффективно будут использовать почву, воду и питательные вещества.
Растения, как известно, получают энергию от солнечного света. С ее помощью их хлоропласт превращает воду и углекислый газ в кислород и глюкозу. Собственно, глюкоза, как органическое вещество, и помогает растению развиваться. По замечанию Марка Аартса, профессора генетики растений, сам фотосинтез существует около двух миллионов лет, и, у ученых сложилось представление о том, что он полностью развит и растения используют его с максимальной для себя пользой. Оказывается, это не совсем так. Похоже, что растения реально воспринимают не более 0,5–1% доступного им солнечного света. При этом, некоторые из них, такие как, например, серая горчица (Hirschfeldia incana), используют дар солнца гораздо лучше, чем другие.
Генетическая изменчивость
Ученые обратили серьезное внимание на это явление около десяти лет тому назад. Они не только убеждались, что различные виды растений по-разному относятся к фотосинтезу, но и видели, что отдельные растения одного и того же вида отличаются друг от друга в этом отношении. В дальнейшем, используя естественные генетические вариации, для них становилось возможным существенно улучшить процесс фотосинтеза.
Такое новаторское понимание сущности природных процессов позволяет селекционерам уже сегодня выводить культуры, обеспечивающие более высокие урожаи. Ученые-экспериментаторы уверены, что смогут в будущем вывести растения, способные использовать до полутора процентов доступного им солнечного света вместо нынешних полпроцента.
Больше энергии
Пока ученые даже не знают точно всех особенностей использования солнечной энергии растениями. На нынешнем этапе исследования только подтверждено, что более высокая скорость фотосинтеза приводит к увеличению листьев и может становиться причиной развития более длинных и толстых корней или более обильного цветения.
Чтобы расширить свои знания о процессе фотосинтеза, исследователи университета Вагенингена в настоящее время работают над генетическими вариациями проса, томатов и кукурузы. Надо сказать, что уже начальный этап наблюдений значительно увеличил круг возможных представлений.
Изменить потоки света
Нидерландская организация по научным исследованиям с недавнего времени также финансирует исследования нефотохимического тушения, проводимые под руководством профессора Аартса. Организация недавно одобрила сотрудничество этой группы ученых в своей работе с коллегами из университетов Утрехта, Амстердама и США. К исследованиям буду привлечены и селекционные компании с целью изучения вопроса реакции растений на изменение условий освещения. Предстоит выявить, какие гены ответственны за восприятие растениями освещения и есть ли в этом отношении какие-либо генетические вариации. После этого участники проекта должны будут определить, как эти гены влияют на реакцию растений на различные изменения внешних условий и регулируют функцию нефотохимического тушения, не повреждая растения.
Отбирать лучшие
В России накоплен значительный опыт исследований фотосинтеза и его роли в повышении урожайности культур. Однако, российские исследователи считают, что зависимость между фотосинтезом и общей продуктивностью растительного организма и урожаем, далеко не такая простая. Вопрос о связи между фотосинтезом и урожаем растений изучал профессор А. А. Ничипорович. Основной задачей разработок в области фотосинтеза, по его мнению, является сохранение и поддержание на более высоком уровне фотосинтетической деятельности естественной растительности, максимальное повышение фотосинтетической продуктивности культурных растений.
При этом на практике важную роль играет селекционный отбор сортов сельскохозяйственных растений, характеризующихся более высокой интенсивностью световых реакций. В качестве практических мер более эффективного использования солнечной энергии предлагалось располагать растения на оптимальном расстоянии друг от друга. Ученые подчеркивали, что в изреженных посевах значительная часть света пропадет зря, а вот в загущенных растения затеняют друг друга, их стебли становятся длинными и ломкими, легко полегающими от дождя и ветра. В том и другом случае происходило снижение урожая.
Российские, голландские, американские исследователи продолжают работать над увеличением активности фотосинтетического аппарата растений. Исследователи уверены, что этот метод позволит уже в ближайшие годы не только повысить урожайность, но и выращивать безопасные и качественные зерно, овощи, фрукты и зелень.
Читайте также: