Имплантаты морских водорослей могут повысить урожайность сельскохозяйственных культур
Ученые обнаружили ген, который позволяет морским водорослям вырабатывать уникальный тип хлорофилла. Они успешно имплантировали этот ген наземному растению, открыв путь к повышению урожайности на меньшем количестве земли.
Обнаружение этого гена решает давнюю загадку ученых о молекулярных путях, которые позволяют водорослям производить этот хлорофилл и выживать.
«Морские водоросли производят половину всего кислорода, которым мы дышим, даже больше, чем растения на суше. И они питают огромные пищевые сети, рыбу, которую едят млекопитающие и люди», — сказал ведущий автор исследования Тинтин Сян из Калифорнийского университета в Риверсайде. «Несмотря на их глобальное значение, мы до сих пор не поняли генетическую основу выживания водорослей».
Исследование, опубликованное в журнале Current Biology, также документирует еще одно первое в своем роде достижение: продемонстрировано, что наземное растение может производить морской хлорофилл. Для этого эксперимента использовались растения табака, но теоретически любое наземное растение может иметь ген морских водорослей, что позволит им поглощать более полный спектр света и достигать лучшего роста.
Хлорофилл — это пигмент, который обеспечивает фотосинтез, процесс преобразования света в «пищу» или химическую энергию. Растения производят хлорофиллы А и В , тогда как большинство морских водорослей и водорослей производят хлорофилл С , который позволяет им поглощать сине-зеленый свет, достигающий воды.
« Хлорофиллы B и c поглощают свет с разными длинами волн», — сказал Сян. «Океан поглощает красный свет, поэтому он выглядит синим. Хлорофилл c эволюционировал, чтобы улавливать сине-зеленый свет, который проникает глубже в воду».
Дополнительным применением этого исследования может стать производство биотоплива из водорослей. Есть несколько видов водорослей, которые производят хлорофиллы A или B , как наземные растения, вместо c . Наделение этих водорослей геном, вырабатывающим хлорофилл С, также может повысить их способность использовать больше света и ускорить их рост, создавая больше сырья для топлива.
Первоначально исследователи намеревались получить представление о видах водорослей, обитающих в кораллах. Эти водоросли производят сахар и делятся им со своими коралловыми хозяевами. «В каждой колонии кораллов есть тысячи полипов, а их коричневый цвет обусловлен водорослями. Всякий раз, когда вы видите обесцвечивание кораллов, это происходит из-за исчезновения водорослей», — сказал Сян.
Заинтересовавшись тем, как способность водорослей осуществлять фотосинтез повлияет на кораллы, исследователи в качестве эксперимента работали с мутантными водорослями. Эти редкие мутанты имели более желтый цвет, чем их коричневые родственники, и не могли осуществлять фотосинтез. Они неожиданно обнаружили, что в кораллах эти мутантные водоросли все еще способны жить и расти, поскольку коралл дает водорослям пищу для роста.
По счастливой случайности, используя секвенирование ДНК следующего поколения и большой анализ данных, исследователи также смогли использовать мутантов для обнаружения гена, ответственного за производство хлорофилла С. «Обнаружение гена хлорофилла С не было первоначальной целью нашей работы. Мы создали мутантов по другой причине, но, думаю, нам просто повезло», — сказал Сян.
Благодаря новому пониманию генетической основы производства хлорофилла С исследователи надеются, что эта работа в конечном итоге поможет остановить волну обесцвечивания кораллов, наблюдаемую во всем мире. Кроме того, существуют наземные приложения, которые могут помочь людям адаптироваться к изменению климата.
«Идентификация пути биосинтеза хлорофилла С — это больше, чем научная диковинка; это потенциальный переломный момент в области устойчивой энергетики и продовольственной безопасности», — сказал Роберт Джинкерсон, профессор химической инженерии UCR и соавтор исследования.
«Раскрывая секреты этого ключевого пигмента, мы не только получаем представление о жизненной силе морских экосистем, но и открываем путь к созданию более устойчивых сельскохозяйственных культур и эффективного биотоплива», — сказал Джинкерсон.