Een studie van de Cornell University beschrijft een doorbraak in de zoektocht naar verbetering van de fotosynthese in bepaalde gewassen, een stap in de richting van de aanpassing van planten aan snelle klimaatveranderingen en het verhogen van de opbrengsten om tegen 2050 naar verwachting 9 miljard mensen te voeden.
De studie, “De efficiëntie van Rubisco verbeteren door zijn voorouders in de familie Solanaceae te doen herleven”, werd op 15 april gepubliceerd in Science Advances. De senior auteur is Maureen Hanson, de Liberty Hyde Bailey hoogleraar Plant Molecular Biology aan het College of Agriculture and Life Sciences. Eerste auteur Myat Lin is een postdoctoraal onderzoeksmedewerker in het lab van Hanson.
De auteurs ontwikkelden een computationele techniek om gunstige gensequenties te voorspellen die Rubisco maken, een belangrijk plantenenzym voor fotosynthese. De techniek stelde de wetenschappers in staat om veelbelovende kandidaat-enzymen te identificeren die in moderne gewassen kunnen worden verwerkt en uiteindelijk de fotosynthese efficiënter kunnen maken en de gewasopbrengst kunnen verhogen.
Hun methode was gebaseerd op de evolutionaire geschiedenis, waar de onderzoekers Rubisco-genen voorspelden van 20-30 miljoen jaar geleden, toen de koolstofdioxide (CO2) -niveaus op aarde hoger waren dan nu en de Rubisco-enzymen in planten werden aangepast aan die niveaus.
Door het oude Rubisco te doen herleven, tonen vroege resultaten veelbelovend voor de ontwikkeling van snellere, efficiëntere Rubisco-enzymen om in gewassen op te nemen en hen te helpen zich aan te passen aan hete, droge toekomstige omstandigheden, aangezien menselijke activiteiten de warmtevasthoudende CO2-gasconcentraties in de atmosfeer van de aarde verhogen.
De studie beschrijft voorspellingen van 98 Rubisco-enzymen op sleutelmomenten in de evolutionaire geschiedenis van planten in de Solanaceae-familie, waaronder tomaat, paprika, aardappel, aubergine en tabak. Onderzoekers gebruiken tabak als experimenteel model voor hun onderzoek naar Rubisco.
advertentie
“We waren in staat om voorspelde voorouderlijke enzymen te identificeren die superieure eigenschappen hebben in vergelijking met de huidige enzymen,” zei Hanson. Lin ontwikkelde de nieuwe techniek voor het identificeren van voorspelde oude Rubisco-enzymen.
Wetenschappers weten dat ze de gewasopbrengst kunnen verhogen door de fotosynthese te versnellen, waarbij planten CO2, water en licht omzetten in zuurstof en suikers die planten gebruiken voor energie en voor het bouwen van nieuwe weefsels.
Jarenlang hebben onderzoekers zich gericht op Rubisco, een langzaam enzym dat koolstof uit CO2 haalt (of fixeert) om suikers te maken. Behalve dat het langzaam is, katalyseert Rubisco soms ook een reactie met zuurstof in de lucht; door dit te doen, creëert het een giftig bijproduct, verspilt het energie en maakt het fotosynthese inefficiënt.
Het lab van Hanson had eerder geprobeerd Rubisco te gebruiken van cyanobacteriën (blauwgroene algen), dat sneller is maar ook gemakkelijk reageert met zuurstof, waardoor de onderzoekers moesten proberen microcompartimenten te creëren om het enzym tegen zuurstof te beschermen, met gemengde resultaten. Andere onderzoekers hebben geprobeerd om Rubisco beter te maken door veranderingen aan te brengen in de aminozuren van het enzym, hoewel er weinig bekend was over welke veranderingen tot de gewenste resultaten zouden leiden.
In deze studie reconstrueerde Lin een fylogenie – een boomachtig diagram dat evolutionaire verwantschap tussen groepen organismen laat zien – van Rubisco, met behulp van Solanaceae-planten.
advertentie
“Door veel [genetische] sequenties van Rubisco in bestaande planten te krijgen, zou een fylogenetische boom kunnen worden geconstrueerd om erachter te komen welke Rubiscos waarschijnlijk 20 tot 30 miljoen jaar geleden bestonden,” zei Hanson.
Het voordeel van het identificeren van potentiële oude Rubisco-sequenties is dat het koolstofdioxidegehalte 25 miljoen tot 50 miljoen jaar geleden mogelijk zo hoog was als 500 tot 800 delen per miljoen (ppm) in de atmosfeer. Tegenwoordig stijgen de warmte-vasthoudende CO2-niveaus sterk als gevolg van veel menselijke activiteiten, met huidige metingen van ongeveer 420 ppm, na honderden millennia tot de jaren vijftig relatief constant onder 300 ppm te zijn gebleven.
Lin, Hanson en collega’s gebruikten vervolgens een experimenteel systeem dat is ontwikkeld voor tabak in het laboratorium van Hanson en beschreven in een Nature Plants-paper uit 2020, waarin E. coli-bacteriën worden gebruikt om in één dag de werkzaamheid van verschillende versies van Rubisco te testen. Vergelijkbare tests die in planten worden uitgevoerd, nemen maanden in beslag om te verifiëren.
Het team ontdekte dat oude Rubisco-enzymen die werden voorspeld op basis van moderne Solanaceae-planten, veelbelovend waren om efficiënter te zijn.
“Voor de volgende stap willen we de genen voor het bestaande Rubisco-enzym in tabak vervangen door deze voorouderlijke sequenties met behulp van CRISPR [gene-editing]-technologie, en vervolgens meten hoe dit de productie van biomassa beïnvloedt,” zei Hanson. “We hopen zeker dat onze experimenten zullen aantonen dat door Rubisco aan te passen aan de huidige omstandigheden, we planten zullen hebben die een grotere opbrengst zullen geven.”
Als hun methode succesvol blijkt te zijn, kunnen deze efficiënte Rubisco-sequenties worden overgedragen in gewassen zoals tomaten, maar ook in die van andere plantenfamilies, zoals sojabonen en rijst.
De studie werd gefinancierd door het Amerikaanse ministerie van Energie.
lees het gehele artikel bij de bron
————————————————– ———————————–
samenvatting:
Een nieuwe studie beschrijft een doorbraak in de zoektocht om de fotosynthese in bepaalde gewassen te verbeteren, een stap in de richting van het aanpassen van planten aan snelle klimaatveranderingen en het verhogen van de opbrengsten om tegen 2050 naar verwachting 9 miljard mensen te voeden.
Datum van publicatie: 19 april 2022
Bron: Wetenschap | Al het topnieuws — ScienceDaily
————————————————– ———————————–