Повышение эффективности фотосинтеза - Realizing Increased Photosynthetic Efficiency

Повышение эффективности фотосинтеза (RIPE)
RIPE field trials.jpg
Учредил2012
МиссияRIPE проектирует заводы, которые более эффективно превращают энергию солнца в пищу, чтобы устойчиво увеличивать производство продуктов питания во всем мире.
ДиректорСтивен П. Лонг
Бюджет45 миллионов долларов
Интернет сайтспелый.illinois.edu

Повышение эффективности фотосинтеза (RIPE) это трансляционные исследования проект, который генная инженерия растения для фотосинтезировать более эффективно повышать урожайность сельскохозяйственных культур.[1] RIPE стремится к увеличению сельскохозяйственного производства во всем мире, в частности, чтобы помочь сократить голод и бедность в К югу от Сахары и Юго-Восточная Азия за счет устойчивого повышения урожайности основных продовольственных культур, включая соевые бобы, рис, маниока[2] и вигна.[3] Проект RIPE начался в 2012 году и финансировался за счет пятилетнего гранта в размере 25 миллионов долларов от Фонд Билла и Мелинды Гейтс.[4] В 2017 году проект получил реинвестирование в размере 45 миллионов долларов от Фонда Гейтса, Фонда продовольственных и сельскохозяйственных исследований и правительства Великобритании. Департамент международного развития.[5] В 2018 году Фонд Гейтса выделил дополнительно 13 миллионов долларов для ускорения реализации проекта.[6]

Фон

В течение 20 века Зеленая революция резко увеличила урожайность за счет развития селекция растений и землеустройство.[7] Считается, что этот период сельскохозяйственных инноваций спас миллионы жизней.[8] Однако эти подходы достигают своих биологических пределов, что ведет к застою в повышении урожайности. В 2009 г. Продовольственная и сельскохозяйственная организация прогнозируется, что к 2050 году мировое производство продуктов питания должно вырасти на 70%, чтобы прокормить примерно 9 миллиардов человек в мире.[9] Удовлетворение потребностей 2050 года дополнительно осложняется сокращением пахотная земля, уменьшение природные ресурсы, и изменение климата.[10]

Исследование

Доказательство концепции проекта RIPE показало, что фотосинтез можно улучшить для повышения урожайности,[11] опубликовано в Наука.[12] Хранитель назвал это открытие одним из 12 ключевых научных моментов 2016 года.[13] Компьютерное моделирование определяет стратегии улучшения основных механизмов фотосинтеза и увеличения урожайности.[14] Во-первых, исследователи трансформируют или генетически проектируют модельные растения, которые тестируются в контролируемой среде, например камеры роста и теплицы. Затем успешные трансформации проверяются в рандомизированных повторяющихся полевых испытаниях. Наконец, преобразования со статистически значимым увеличением урожайности переносятся на целевые продовольственные культуры проекта.[15] Вероятно, можно было бы объединить несколько подходов для аддитивного увеличения урожайности. «Глобальный доступ» гарантирует, что мелкие фермеры смогут использовать и позволить себе интеллектуальную собственность проекта.[16]

Стратегии исследованияОписание
Моделирование фотосинтезаС быстрым ростом высокопроизводительных вычислений стало возможным моделировать фотосинтез в динамических моделях, в которых каждая из связанных реакций полностью представлена, обеспечивая реалистичное представление всего процесса in silico с помощью системы связанных дифференциальных уравнений. Мы разработали реалистичные изображения покровов листьев сельскохозяйственных культур, чтобы более точно предсказать динамику микроклимата сельскохозяйственных культур и распределение световой энергии. Теперь мы можем объединить эти два вида моделирования в одну надежную систему моделирования.
Расслабляющая фотозащитаЧерез фотозащита, растения защищают себя от повреждений при сильном освещении, рассеивая избыточную световую энергию в виде тепла. Однако этот защитный процесс продолжается, когда лист затеняется облаком или другим листом, что ограничивает фотосинтез.[17] RIPE идентифицировал и активировал гены, которые ускоряют эту релаксацию, что привело к увеличению урожайности на 14-20% в повторных полевых испытаниях.[18]
Фотодыхательный обходной анастомозRuBisCO регулярно совершает ошибку, реагируя кислород вместо углекислого газа. Полученные химические вещества должны быть переработаны обратно в производственную линию, тратя энергию на процесс, называемый фотодыхание. Некоторые бактерии перерабатывают эти химические вещества более эффективно. RIPE разрабатывает эти более эффективные пути - или кратчайшие пути - к культурам.[19] В знаменательном исследовании ученые RIPE разработали кратчайшие пути светового дыхания, которые увеличили урожайность на 40 процентов.[20]
Регенерация RuBPВ Цикл Кальвина, ключевая часть фотосинтеза, представляет собой многоступенчатый процесс, который восстанавливает молекулу акцептора углекислого газа, используемую RuBisCO для создания сахара, который питает рост растений. На каждом этапе используются белковые катализаторы, известные как ферменты. RIPE оптимизирует количество каждого фермента, чтобы весь процесс фотосинтеза стал более эффективным.[21]
Улучшение RuBisCOsRIPE исследовал широкий спектр растений и водорослей, чтобы найти формы RuBisCO, которые быстрее и реже принимают кислород за углекислый газ. В настоящее время в рамках проекта создаются культуры с использованием этих более эффективных форм RuBisCO или модифицируется существующий RuBisCO, чтобы соответствовать этим более эффективным формам.[22][23][24]
Оптимизация навесовСлои обрезанных листьев создают навес, но верхние листья получают больше света, чем могут использовать, в то время как нижние листья испытывают недостаток света. За счет изменения цвета и угла наклона листьев свет более равномерно распределяется по кроне, что увеличивает фотосинтетическую активность всего растения.[25]
Водорослевые механизмыRuBisCO катализирует извлечение углекислый газ из воздуха в сахар, чтобы поддерживать рост растений, но ограничен поступлением углекислого газа. Использование механизмов от водоросли, создаются растения, которые перекачивают углекислый газ в RuBisCO для ускорения фотосинтеза.
Проводимость мезофиллаМезофилл Проводимость измеряет, насколько легко углекислый газ может диффундировать через лист, чтобы достичь RuBisCO. RIPE модифицирует пути, чтобы помочь углекислому газу проходить через клеточную мембрану, цитоплазму, оболочку хлоропласта и хлоропласт. стома чтобы добраться до RuBisCO.
Продвижение переводаТрансформации подтверждаются от экспрессии генов до продукции целевых белков, затем фенотипируются в теплице и тестируются в повторных полевых испытаниях. Как только доказано, что свойство является успешным, мы приступаем к более сложной и трудоемкой задаче по преобразованию основных пищевых культур, включая сою, маниоку, вигну и рис.

Организация

RIPE возглавляет Университет Иллинойса на Институт геномной биологии Карла Р. Вёза. В число партнеров проекта входят: Австралийский национальный университет, Китайская Академия Наук, Организация Содружества научных и промышленных исследований, Ланкастерский университет, Университет штата Луизиана, Калифорнийский университет в Беркли, Кембриджский университет, Университет Эссекса, а Министерство сельского хозяйства США /Служба сельскохозяйственных исследований.

Исполнительный комитет наблюдает за различными исследовательскими стратегиями; его члены перечислены в таблице ниже.

ЗаголовокИмяУчреждениеЦель
ДиректорСтивен П. ЛонгУниверситет Иллинойса; Ланкастерский университетМоделирование фотосинтеза; Расслабляющая фотозащита; Проводимость мезофилла
Заместитель директораДональд ОртУниверситет ИллинойсаФотодыхательный обходной анастомоз
Руководитель исследованийКристин РейнсУниверситет ЭссексаРегенерация RuBP
Руководитель исследованийСюзанна фон КаммерерАвстралийский национальный университетВодорослевые механизмы
Руководитель исследованийМартин ПарриЛанкастерский университетУлучшение Рубиско
Руководитель исследованийКрис НийогиКалифорнийский университет в БерклиРасслабляющая фотозащита
Руководитель исследованийЛиза ЭйнсвортУниверситет ИллинойсаОптимизация навесов
Руководитель исследованийТ.Дж. ХиггинсОрганизация Содружества научных и промышленных исследованийПродвижение перевода
Руководитель проектаЛиза ЭмерсонУниверситет ИллинойсаНет данных

Рекомендации

  1. ^ «Накормить мир, улучшить фотосинтез». technologyreview.com. 2017-08-14. Получено 2018-04-03.
  2. ^ «Исследования показывают, как выращивать больше маниоки, одной из основных продовольственных культур в мире». theconversation.com. 2017-01-24. Получено 2018-04-03.
  3. ^ «Африканские фермеры, страдающие от паразитов, вскоре могут получить бесплатный доступ к ГМО-устойчивым к насекомым вьюнам». Geneticliteracyproject.org. 2018-01-23. Получено 2018-04-03.
  4. ^ «Новый дизайн сельскохозяйственных культур для 21 века». psmag.com. 2015-08-05. Получено 2018-04-03.
  5. ^ «FFAR присоединяется к проекту стоимостью 45 миллионов долларов по увеличению урожайности за счет фотосинтеза». agri-pulse.com. 2017-09-15. Получено 2018-04-03.
  6. ^ «Проект RIPE получает дополнительно 13 миллионов долларов». igb.illinois.edu. 2018-11-20. Получено 2018-11-21.
  7. ^ «Еда для всех». Fao.org. Получено 2016-11-08.
  8. ^ «Сельскохозяйственное развитие - Фонд Билла и Мелинды Гейтс». Gatesfoundation.org. Получено 2016-11-08.
  9. ^ «Мировое сельское хозяйство к 2050 году» (PDF). Fao.org. Получено 2016-11-08.
  10. ^ «План накормить мир, взломав фотосинтез». Gizmodo.com. 2015-06-24. Получено 2016-11-08.
  11. ^ «Глядя на голод, ученые видят перспективы в генетической обработке растений». nytimes.com. 2016-11-17. Получено 2018-04-03.
  12. ^ «Как отключение солнцезащитного козырька может увеличить урожай». sciencemag.org. Получено 2016-11-08.
  13. ^ «Сельскохозяйственный проект UI RIPE направлен на решение растущей проблемы». news-gazette.com. 2017-07-16. Получено 2018-04-03.
  14. ^ «Чтобы накормить мир, нам может понадобиться взломать фотосинтез». gizmodo.com. 2015-03-28. Получено 2018-04-03.
  15. ^ «Проект RIPE демонстрирует прогресс в исследованиях фотосинтеза». will.illinois.edu. 2017-07-14. Получено 2018-04-03.
  16. ^ «Глобальный доступ». gatesfoundation.org. 2016-11-17. Получено 2017-02-02.
  17. ^ «Повышение эффективности завода». youtube.com. Получено 2017-02-02.
  18. ^ «Улучшение фотосинтеза и урожайности сельскохозяйственных культур за счет ускорения восстановления после фотозащиты». sciencemag.org. 2016-11-18. Получено 2018-04-03.
  19. ^ «Исправление фотосинтеза». knowablemagazine.org. 2017-12-15. Получено 2018-04-03.
  20. ^ «Пути метаболизма синтетического гликолата стимулируют рост сельскохозяйственных культур и урожайность на поле». sciencemag.org. 2019-01-03. Получено 2019-01-03.
  21. ^ «Постепенное открытие может однажды привести к прорыву в фотосинтетике». Phys.org. 2017-06-29. Получено 2018-04-03.
  22. ^ «Растительный фермент может стать ключом к будущей продовольственной безопасности». feedstuffs.com. 2016-07-27. Получено 2017-06-15.
  23. ^ «Ферментное биоразнообразие - залог будущего сельскохозяйственных культур». fareasternagriculture.com. 2016-08-10. Получено 2018-04-03.
  24. ^ «Ферменты с потенциалом повышения урожайности пшеницы». sciencedaily.com/. 2016-01-28. Получено 2018-04-03.
  25. ^ "Более светлые верхние листья могут быть приемом фотосинтеза урожая'". farmfutures.com. 2015-04-06. Получено 2018-04-03.