Wydajniejsza fotosynteza, większe rośliny
Izabela Klauza | 2007-11-22
Jak zaprojektować transgeniczną roślinę, która osiągałaby jak największe rozmiary, dawała więcej owoców i to bez zwiększania pożywienia w postaci nawozu? Roślina powinna się charakteryzować jak największą wydajnością fotosyntezy przy jak najmniejszych wymaganiach. Jak zaprogramować szlaki syntezy ściany komórkowej roślin, by dawała maksymalne ilości biomasy?
Fotosynteza jest to proces, w którym rośliny, a także niektóre bakterie czy sinice, są w stanie przekształcić energię słoneczną w energię chemiczną. Jest to bardzo ogólne sformułowanie pojęcia fotosynteza, gdyż jest to jeden z bardziej skomplikowanych mechanizmów zachodzących w organizmach żywych. Do przeprowadzenia faz fotosyntezy zaangażowanych jest ok. stu białek (głównie o właściwościach enzymatycznych). Każde z nich spełnia ważną i wydawałoby się niepowtarzalną rolę. Produkty fotosyntezy (węglowodany) są składnikami pokarmowymi, energetycznymi oraz budulcowymi. Zwiększając produkcję tych elementów zwiększa się tym samym biomasę rośliny z korzyścią jej większego wykorzystania. Dlatego tak niezmiernie ważne są badania prowadzane nad zwiększeniem wydajności fotosyntezy oraz produkcji masy roślin.
Naukowcy z Uniwersytetu w Illinois, pod kierownictwem Steve’a Long’a- profesora biologii roślin, w projekcie finansowanym przez National Science Foundation, postanowili zwiększyć wydajność fotosyntezy, co skutkowałoby zwiększeniem masy roślin (liści i owoców), przy minimalnych wymaganiach roślin.
Ponieważ eksperyment, na który składałoby się przebadanie ok. stu białek (bo tyle jest zaangażowanych w proces fotosyntezy) byłby zbyt kosztowny i czasochłonny naukowcy, postanowili przeprowadzić szereg symulacji komputerowych, które by wskazały na te enzymy, które są najważniejsze i w największym stopniu decydują o wydajności fotosyntezy. Głównym prowadzącym symulacji komputerowej był Eric de Sturler, profesor matematyki komputerowej w nauce w Illonois. Wyniki badań zostały opublikowane w magazynie: Plant Physiology, w październiku 2007.
Wprowadzono dane wszystkich białek, które biorą udział w procesie fotosyntezy do bazy, oznaczono ich powiązanie i zależności między sobą, oraz sformułowano warunki optymalne do poprawnego działania każdej proteiny na tle mechanizmu fotosyntezy. Wzięto również pod uwagę zewnętrzne (środowiskowe) warunki w jakich roślinom przyjedzie później żyć. Każda symulacja odpowiadała pojedynczemu białku enzymatycznemu. Dzięki takim symulacjom oraz sformułowaniu przeznaczenia rośliny, czyli czy będzie hodowana ze względu na swoje wartościowe liście czy owoce, można by np. wyeliminować zwiększenie ilości azotu w podłożu w roślinach takich jak zboża, których wartością są nasiona, a azot w procesie fotosyntezy jest wymagany do aktywności enzymów fotosyntezy w liściach, a nie w nasionach.
Jednym z rodzajów obliczeń matematycznych uzyskanych przy pomocy komputera był tzw. algorytm ewolucyjny. Program był tak skonstruowany, że mógł „naśladować” proces ewolucji, stawiając za priorytet wydajność fotosyntezy (przyrost masy) a nie przeżywalność organizmów, jak to ma miejsce w ewolucji „niekomputerowej”. Przy pomocy takiej techniki symulacyjnej zostało wybranych kilka białek, które podczas zwiększonej ilości w roślinie, powodują wzrost wydajności fotosyntezy. Taka zmiana- zwiększenie stężenia danych enzymów- będzie wprowadzana metodą transgenezy roślin.
Naukowcy z Purdue Department of Agronomy, pod kierownictwem D. Szymanskiego odkryli białko mające zdolności regulatorowe wielu ścieżek metabolicznych w komórkach roślinnych, tj. synteza filamentów aktynowych. Białko SPIKE1 jest głównym czynnikiem, który odgrywa ważną rolę podczas sygnalizacji komórkowej, na etapie wzrostu. To SPIKE1 decyduje o tym: gdzie, w którym miejscu i jak długo ma rosnąć dana część rośliny. Jego rolę opisuje się jako regulator syntezy filamentów aktynowych, czyli głównego składnika szkieletu komórkowego. Co więcej, wykazano, że SPIKE1 wysyła sygnały do sąsiednich komórek, co skutkuje w aktywowaniu odpowiedniej adhezji między komórkami.
Posługując się eksperymentami bazującymi na tworzeniu mutantów, czyli roślin ze zmienionymi, a w tym wypadku usuwaniu z procesu rozrostu komórki, białek grupa Szymanskiego doszła do licznych wniosków. Wykazano między innymi, że u roślin (tu badaniom poddano Arabidopsis) z wyłączonym genem SPIKE1 wzrost rośliny był nieodpowiedni. Teraz najważniejsze jest to, aby poznać regulatorów (aktywatorów i inhibitorów) SPIKE1, by w przyszłości można było zwiększyć biomasę roślin, poprzez nadekspresję SPIKE1.
Natura jest „fabryką” wielu elementów, każdy z nich wystarcza na przetrwanie oraz zaspokojenie własnych potrzeb. Tym razem te potrzeby nieco rosną, w szczególności w przypadku roślin uprawnych oraz roślin wykorzystywanych do produkcji biopaliw. Człowiek ciągle dąży do tego by wykorzystać dobra natury w maksymalny sposób, czasem jednak potrzebna jest pewna modyfikacji „owych dóbr” aby zrealizować własne - ludzkie - potrzeby.
Źródła:
* www.news.uiuc.edu: "Researchers successfully simulate photosynthesis and design a better leaf", Diana Yates (Life Sciences Editor), 11/9/07
* Eurekalert! Newly defined signaling pathway could mean better biofuel sources; Susan A. Steeves, 07.03.2008
Komentarze
paulicia | 2008-01-14 00:00:00
lol macie tu schemat foto syntery
karolek1425 | 2009-03-03 17:12:32
Mam pytanie w których regionach swiata proces fotosyntezy przebiega najintensywniej???
ono | 2011-11-25 06:18:00
karolek1425 weź atlas i zobacz gdzie jest zielono - okolice równika i zwrotników.