Vyladěním fotosyntézy vědci zvýšili rostlinám výnos o 20 %

Americkému týmu v němž je i jedna Polka, se zvýšením hladiny tří proteinů podílejících se na fotosyntéze, podařilo zvýšit rostlinám produkci. Upravené rostliny vyprodukují ze stejného množství světla mnohem více hmoty. I když tvůrci své vylepšení nazývají buněčným a metabolickým inženýrstvím, odpůrcům GMO tato kamufláž nejspíš dlouho unikat nebude.

Tak, jak předpověděl počítač, nové geneticky modifikované rostliny rychleji začnou využívat energii slunečního světla ve chvílích, kdy se listy dostanou do částečného stínu a zvýší svou produkci o více než deset procent. (Kredit: Julie McMahon)

Podobně jako v mnoha jiných laboratořích světa i v Ústavu genomické biologie spadajícím pod Universitu státu Illinois, se zabývají řešením neradostných vyhlídek vyplývajících z budoucího hladu. V materiálech Organizace spojených národů se můžeme dočíst, že v roce 2050 budeme muset na nyní obhospodařované půdě vyprodukovat o 70 procent více potravin. Soudě podle článku v časopisu Science, tým Štěpána Longa (Stephen Long) z Illinois je na nejlepší cestě část nelehkého úkolu vyřešit.

Stephen Long, vedoucí laboratoře a týmu naInstitute for Genomic Biology, University of Illinois, Urbana)

Horší zprávou je, že zatím se jim výnos podařilo zvýšit jen u plodiny určené pro narkomany. Řeč je o tabáku vylepšeném geny z huseníčku. Než se k tak pracnému pokusničení vědci odhodlali, najali počítač a nechali ho prověřit pracovní hypotézu zaměřenou na získání vyšší produkce lepším využitím sluneční energie. Konkrétně té, která na list dopadá ve chvílích, kdy sluníčko svítí a nesvítí. Protože to začíná být poněkud nepřehledné, uděláme vysvětlující odbočení.

Fotosyntéza

Využívání slunečního světla není pro rostliny tak jednoduché, jak by se to na první laický pohled, mohlo zdát. Když na list, takzvaně „praží“, není rostlina schopna takový příval energie najednou zužitkovat a ocitá se ve stejné situaci, jako elektrárna. Té také, když vázne odbyt, hrozí kolaps. Rostlina má pro takovou situaci pojistky. Jednou je mechanismus, který se přebytku energie zbavuje vyzářením z listu ve formě tepla. Odborníci pro tento proces rozptylování energie používají ve svých odborných textech a na konferencích termín NPQ. Zkratka je z anglického nonphotochemical quenching. Automatické překladače textů vám to ale přeloží jako kalení (od slova zakalit, upevnit). Automatický wordovský opravář chyb má tendenci kalení vylepšit na „kálení“ a tak se mnohde na internetu setkáte s věru svérázným vysvětlením funkce NPQ. Nebudeme to dál rozvádět, protože to je k zapamatování mnohem snazší, než to, co bude následovat.

Tabákové listy vykazují přechodně zvýšenou expresi genů zapojených do ochranného mechanismu NPQ, chránícího rostliny před poškozením z přílišného osvitu. Červené a žluté oblasti jsou signalizují nízkou NPQ aktivitu, modré a fialové oblasti vysokou. (Kredit: Lauriebeth Leonelli a Matthew Brooks / UC Berkeley)

Nejprve několik slov k chlorofylu

Světlo (fotony) přicházející ze sluníčka zachycuje chlorofyl. Pohlcené fotony pohání fotochemické reakce, které zářivou energii světelného kvanta přemění na biochemicky využitelnou formu v podobě chemické vazby. Když molekula chlorofylu absorbuje světlo, dostane se do excitovaného stavu. Z něj se zpět do svého základního může vrátit různými cestami. Většinou energii předá do reakčního centra k fotosyntéze (fotochemické zhášení). Může se ale také energie zbavit ve formě tepla (tzv nefotochemického zhášení) a právě toho se vylepšování rostlinek našeho tabáku týká.

Krishna Niyogi, molekulární biolog na University of California, Berkeley, spolutvůrce strategie zvyšování produkce vylepšením nefotochemického zhášení. (Kredit: UC)

NPQ neboli nefotochemické zhášení

Základem tohoto mechanismu, kterým se rostlina zbavuje přebytku fotonů, jsou konformační změny proteinů a tvorba takzvaných energetických pastí. Popisuje se také jako enzymatická přeměna karotenoidů violaxanthin na zeaxanthin. Violaxanthin přepraví foton z chlorofylu a zeaxantin rozptýlí jeho energii ve formě tepelného záření. Umí to provádět tak šetrně, že integrita fotosystému je zachována. Tento rozptyl přebytečné energie, která by jinak celý systém fotosyntézy poškodila, se nazývá nefotochemické zhášení a většina rostlin se bez něj neobejde. Jinak by jim každé silnější sluníčko spálilo listy a uschly by. Jako všechno, má i tato pojistka své mouchy.

Přenesme se na chvilku v myšlenkách do pohody, kdy se nám vyvede dovolená, jsme u vody a po obloze jen sem tam nějaký ten kumulus. Lenošíme a mažeme krémem alespoň s faktorem 4, abychom si nezkazili zbytek dovolené. Tehdy i rostlina zapíná svou NPQ ochranu aby se zbavila přemíry fotonů. Ve chvíli, kdy přes sluníčko přejde mráček, má tak trochu problém. Vypnout NPQ ochranu nejde snadno a hlavně ne rychle. Vše nějakou dobu jede dál jako Titanik. Rostlině to zkrátka trvá, než se jí podaří proces maximálního využití světla optimalizovat a i když svítí sluníčko zrovna tak akorát, že by mohla využít veškeré jeho fotony, nečiní tak. Slovy ekonoma, ve využívání energie má rostlina „prostoje“. Nejde totiž jen o mraky. Dočasná zastínění si dovedou způsobovat i sousední rostliny.

Tabák obohacený o geny huseníčku za sterilních podmínek v laboratoři. (Kredit: Geneticky Steve Long Lab)

Jak moc je ale takových situací, kdy už na list moc nesvítí ale NPQ brzda energii vyhazuje pánubohu do oken? Jsou ztráty, kdy fotosyntéza „jede jen v nouzovém“ a málo výhodném modu, významné? Nebo jsou z pohledu ekonomiky zemědělské produkce ztráty na produkci zájmu nehodny?

... o pár měsíců později ve skleníku. (Kredit: Geneticky Steve Long Lab)

Xinguang Zhu, jeden ze spoluautorů uvedený na publikaci, je onen matematik, který na samém počátku krmil superpočítač (NCSA) dostupnými daty o účinnosti fotosyntézy - fotochemické konverze zářivé energie, dobou adaptace rostlin,… Výpočty na rostliny „práskly“, jací jsou to břídilové. Ztrátu výnosu z jejich pomalého zotavování z NPQ útlumu stanovil computer na 7,5 až 30 procent. Rozptyl hodnot je sice velký a počítač je „vysvětlil“ typem rostliny a teplotou prostředí jejich růstu. I tak je výsledek zarážející. Nikdo nepředpokládal, že by rostliny mohly tolik energie promrhávat.

Zhuovy výpočty byly tím impulsem, který nakopnul genetické inženýry, aby se pokusili s tím něco udělat. Tak došlo na diskuse genetika Stephen P. Longa a experta na molekulární biologii Krishna Niyogi. V jejich hlavách se zrodil úmysl podpořit rostlině hladinu tří proteinů, které mají pod palcem zotavování rostliny po spuštění NPQ ochrany. Zbývalo už jen rozhodnout, na které začít.

… a v „soutěži“ na poli s tabákovou klasikou. (Kredit: Geneticky Steve Long Lab)

Podobně jako kdysi měl Gregor Mendel v oblibě hrách a jestřábník, u dnešních genetiků to jsou tabák a huseníček. Důvod je prostý, s oběma rostlinami se dobře pracuje a jejich genomy jsou již podrobně zmapovány. Geny, které u huseníčku mluví do NPQ byly navíc už byly známy, což Stephen Longovi usnadnilo rozhodování. Vybral si huseníček a geny si od něj „vypůjčil“. Long motivoval k práci i své dva postdoktorandy a tak se všichni pustili do „znásilňování“ tabáku. Moc se s tím nemazlili a do genomu jim vpašovávali ne jeden gen, ale hned celou jejich sadu. Říkají tomu „kazeta“ ovládající NPQ. U některých rostlin to provedli tak šikovně, že se s kazetou trefili na správné místo, kde v novém působišti se cizí geny cítily jako doma a zajistily činnost, jak jim to sekvence nukleotidů ukládá. V tabáku se tak rozběhla produkci proteinů huseníčku. Jeho proteiny zatuplovaly tvorbu vlastních tabákových proteinů a spolu pak, v duchu předpokladů, se vylepšeným rostlinám urychlilo vypínání NPQ ochrany. Teď už šlo jen o to, vyselektovat ty nejlepší z nejlepších. S jejich výběrem pomohla fluorescenční zobrazovací technika. Ta vyzradila, které z transformovaných rostlinek se po „přenesení do stínu“ zotavují obzvláště rychle. Třem nejlepším tabákovým výtečníkům se pak dostalo cti, účastnit se v kontrolovaných polních podmínkách soutěže s rostlinami klasického tabáku. Jednoznačnými vítězi se staly GMO linie. Jedna byla ve srovnání s GMO-free, lepší „jen“ o 14 procent a dvě další se svými svorně vykázanými o 20 procent vyššími výnosy, dělily o „zlato“.

O dvacet procent vyšší výnos v reálných polních podmínkách, to je pro šlechtitele něco neslýchaného. Většinou se u klasického šlechtění hraje jen o setiny až desetiny procenta. Bohužel autoři nejsou schopni garantovat, že to tak bude i u jiných hospodářsky významných plodin. Nicméně Stephen Long k tomu dodává, co stojí za ocitování: “Jde o mechanismus, který je společný všem plodinám a proto jsme si skoro jisti, že tento přístup u dalších plodin využít půjde".

Katarzyna Głowacka, polská spoluautorka publikace a členka „týmu modifikátorů“ University of Illinois, Urbana

Výzkum financovala nadace Billa a Melindy Gatesových, takže veškeré nové zemědělské produkty, které z něj vzejdou, budou smět být licencovány jen takovým způsobem, že budou volně dostupné pro zemědělce zemích Afriky a jižní Asie. Nás bohužel, za tak rozvojové zatím nepovažují.

Co k tomu dodat?
Snad jen, že pozdě bycha honit a že je velká škoda, že se odpůrcům GMO podařilo z Evropy tento výzkum téměř vystrnadit a že spolu s ním a jeho financováním odešla i řada odborníků do zámoří. Téměř rodačka Katarzyna Głowacka z Instytutu Genetyki Roślin v Poznani, která je spoluautorkou studie a členkou amerického kolektivu na University of Illinois, potvrdila, že v tuto chvíli již její kolektiv (na Carl R. Woese Institute for Genomic Biology), pracuje na tomtéž, jenže tentokrát se zvýšení produkce má týkat několika potravinářských plodin.
Držme jim alespoň palce, aby jim tam rostlinky na pokusných políčkách, tak jako u nás v Evropě, nějací zelení nevytrhali.

Literatura

Carl R. Woese Institute for Genomic Biologie, University of Illinois
Johannes Kromdijk et al.: Improving photosynthesis and crop productivity by accelerating recovery from photoprotection, Science, science.sciencemag.org/cgi/doi/10.1126/science.aai8878

Autor: Josef Pazdera

Datum: 19.11.2016

Tisk článku

Související články:

Dopady pěstování geneticky modifikovaných plodin Autor: Josef Pazdera (19.07.2015)
Většina zemí v EU usiluje o zákaz geneticky modifikovaných plodin Autor: Josef Pazdera (05.10.2015)
(Eko)logické zemědělství I Autor: Jan Kašinský (21.03.2016)
Objev, který má předpoklad změnit naše zemědělství k nepoznání Autor: Josef Pazdera (27.05.2016)
Co kdyby celý svět vyslyšel aktivisty a zakázal GMO plodiny Autor: Josef Pazdera (08.11.2016)

Diskuze:

Jaká je hraniční výkonová hustota?

Pavel Hudecek,2016-11-20 11:37:57

Jaká je vlastně hraniční výkonová hustota, kterou jsou rostliny běžně schopny využít, než aktivují NPQ?
(líbily by se mi W/m2, nebo % letního poledního slunce, ale jsem schopen zpracovat i u biochemiků oblíbené mikromoly/m2 v PAR pásmu)