კორნელის უნივერსიტეტის ახალი კვლევა სოფლის მეურნეობის მცენარეულ კულტურებში ფოტოსინთეზის ეფექტიანობის გაზრდის მიმართულებით საინტერესო გარღვევას აღწერს. მკვლევრების მიზანი კლიმატის ცვლილების მიმართ მცენარეების ადაპტირება და მათი მოსავლიანობის ზრდაა იმისთვის, რომ 2050 წლისთვის დედამიწამ 9 მილიარდი ადამიანისთვის საკმარისი საკვები რესურსების მომარაგება შეძლოს.

კვლევა 15 აპრილს ჟურნალ Science Advances-ში გამოქვეყნდა. მისი მთავარი ავტორი, სოფლის მეურნეობისა და სიცოცხლის მეცნიერებების კოლეჯის მცენარეების მოლეკულური ბიოლოგიის პროფესორი მაურინ ჰანსონია. კვლევაში ასევე მნიშვნელოვანი წვლილი შეიტანა მიატ ლინმა, ჰანსონის ლაბორატორიის ასოცირებულმა მკვლევარმა.

ნაშრომის ავტორებმა კომპიუტერული ტექნოლოგია მიიღეს, რომლის საშუალებითაც ფოტოსინთეზისთვის საჭირო მთავარი მცენარეული ფერმენტის — Rubisco-ის შესაქმნელად საჭირო გენების ხელსაყრელი თანმიმდევრობის პროგნოზირებაა შესაძლებელი. ტექნოლოგიის გამოყენებით მეცნიერებმა შეძლეს, გამოევლინათ ფერმენტების ყველაზე პერსპექტიული კანდიდატები, რომლებიც, თანამედროვე მცენარეულ კულტურებში შეტანის შედეგად, მათ მოსავლიანობასა და ფოტოსინთეზის ეფექტიანობას გაზრდიდა.

Rubisco გენის გაცოცხლება

მკვლევრების მეთოდი ევოლუციურ ისტორიას ეყრდნობა — მათ Rubisco-ის გენის არსებობა 20-30 მილიონი წლის წინანდელ მცენარეებში იწინასწარმეტყველეს. აღსანიშნავია, რომ ამ პერიოდში დედამიწაზე ნახშირორჟანგის (CO₂) საშუალო დონე იმაზე მაღალი იყო, ვიდრე დღესაა, Rubisco ფერმენტები კი მცენარეებში ამ მაჩვენებელთან შეგუებული იყო.

უძველესი Rubisco-ის აღდგენით, კვლევის ადრეული შედეგები მეცნიერებს უფრო სწრაფად მოქმედი და ეფექტიანი ფერმენტების განვითარების იმედს აძლევს, რომლებიც, მცენარეში ინტეგრაციის შემთხვევაში, მათ მომავალ ცხელ და მშრალ პირობებთან შეგუებაში დაეხმარება.

"ჩვენ ისეთი უძველესი ფერმენტების არსებობის პროგნოზირება შევძელით, რომლებიც დღეს არსებულ ფერმენტებთან შედარებით უმაღლესი თვისებებით გამოირჩევა", — განაცხადა ჰანსონმა. მათ აღმოსაჩენად კი, როგორც ზემოთ აღვნიშნეთ, ახალი ტექნოლოგია ლინმა განავითარა.

მეცნიერებმა აქამდეც იცოდნენ, რომ მცენარეული კულტურების მოსავლიანობის გაზრდა ფოტოსინთეზის აჩქარებითაც შეიძლება. ისინი მრავალი წლის განმავლობაში სწავლობდნენ Rubisco-ს — ფერმენტს, რომელიც ნახშირორჟანგისგან შაქარს წარმოქმნის. მიუხედავად იმისა, რომ იგი ნელი მოქმედებით გამოირჩევა, ხანდახან კატალიზატორის როლსაც ითვისებს, შედეგად კი ქმნის ტოქსიკურ გვერდით პროდუქტს, რომელიც ზედმეტ ენერგიას ხარჯავს და ფოტოსინთეზის ეფექტიანობას აქვეითებს.

ჰანსონის ლაბორატორიაში აქამდე Rubisco-ს მიღება ლურჯ-მწვანე წყალმცენარისგან — ციანობაქტერიისგან სცადეს — მიღებული ფერმენტი უფრო სწრაფადმოქმედი აღმოჩნდა, თუმცა იგი ასევე სწრაფად შედიოდა რეაქციაში ჟანგბადთან. ჟანგბადისგან დასაცავად მკვლევრებმა ფერმენტებისთვის მიკრო დანაყოფები შექმნეს, თუმცა საბოლოოდ არაზუსტი შედეგები მიიღეს. სხვა მეცნიერები უფრო ეფექტიანი Rubisco-ის მიღებას ფერმენტის ამინომჟავების შეცვლით ეცადნენ, თუმცა წარმოდგენა არ ჰქონდათ, თუ კონკრეტულად რა ცვლილება მოუტანდა მათ სასურველ შედეგს.

20-30 მილიონი წლის წინანდელი მცენარეები და ევოლუცია

ზემოთ აღნიშნულ კვლევაში ლინმა გამოავლინა Rubisco-ის ფილოგენეტიკა — დიაგრამა, რომელიც ორგანიზმთა ჯგუფებს, ამ შემთხვევაში კი ძაღლყურძენასებრთა ოჯახის მცენარეებს შორის ევოლუციურ კავშირს გვიჩვენებს. ამის საშუალებით იმის გარკვევაა შესაძლებელი, თუ რომელიც Rubisco ფერმენტები არსებობდა 20-30 მილიონი წლის წინ.

პოტენციური უძველესი Rubisco-ის გენეტიკური თანმიმდევრობის იდენტიფიცირების უპირატესობა ისაა, რომ 25-50 მლნ წლის წინ დედამიწის ატმოსფეროში ნახშირორჟანგის დონე საშუალოდ 500-800 პპმ (ნაწილი მილიონზე) უნდა ყოფილიყო. დღეს ეს მაჩვენებელი, ადამიანის საქმიანობის შედეგად, საგრძნობლად იმატებს. ამჟამინდელი მონაცემებით, ამ სათბურის აირის კონცენტრაცია ატმოსფეროში 420 პპმ-ია. აღსანიშნავია, რომ 1950-იან წლებამდე იგი სტაბილურად 300 პპმ იყო.

შემდეგ ეტაპზე ლინმა, ჰანსონმა და მათმა კოლეგებმა თამბაქოზე დაფუძნებული ექსპერიმენტული სისტემა გამოიყენეს, რომელიც 2020 წელს Nature Plants-ში გამოქვეყნებულ ნაშრომში იყო აღწერილი. ამ კვლევაში მეცნიერები E. coli (ნაწლავის ჩხირი) ბაქტერიის საშუალებით Rubisco-ის სხვადასხვა ვერსიების ეფექტიანობას ერთ დღეში ამოწმებდნენ. მსგავს შემოწმებებს სხვა მცენარეებზე, შედეგის მისაღებად, თვეები სჭირდება.

შედეგებზე დაკვირვებით აღმოჩნდა, რომ უძველესი Rubisco-ის ფერმენტები, რომლებიც თანამედროვე ძაღლყურძენასებრების შესწავლით იწინასწარმეტყველეს, მცენარეებში ფოტოსინთეზის ეფექტიანობისა და მოსავლიანობის ზრდისთვის რეალურად იმედისმომცემი გამოსავალია.

მომავალში მეცნიერებს თამბაქოში არსებული Rubisco-ის ფერმენტების გენების ჩანაცვლება უძველესი ფერმენტის გენებით უნდათ, რასაც CRISPR ტექნოლოგიის საშუალებით გააკეთებენ. შემდეგ კი ისინი გაზომავენ, თუ რა გავლენას მოახდენს მიღებული ფერმენტი ბიომასის წარმოების მაჩვენებლებზე.

თუ ეს მეთოდი წარმატებული გამოდგება, ეფექტიანი Rubisco-ის მიმდევრობები, შესაძლოა, სოფლის მეურნეობის სხვა ისეთ კულტურებშიც გამოიყენონ, როგორებიცაა პომიდორი, სოია და ბრინჯი.

კვლევა აშშ-ის ენერგიის დეპარტამენტმა დააფინანსა.