Fotosyntéza je unikátní chemický proces, při kterém organismus využívá světelnou energii a oxid uhličitý k výrobě cukru a produkci energie. Tento komplikovaný řetězec však brzdí některé proteiny, které nejsou schopné pracovat zcela efektivně. Nová studie, publikovaná vědci z University of Essex v časopise Nature Plants, dokázala problémy dvou z těchto kritických reakcí odstranit a zvýšit výnosnost rostlin o celých 27%. To vše v podmínkách, kterým čelí běžné zemědělské plodiny. Ukázalo se, že krok, ke kterému britští vědci dospěli, rovněž výrazně šetří vodu.

Patricia Lopez-Calcagno, postdoktorandka na University of Essex, která se na výzkumu podílela, přirovnala fotosyntézu k výrobní lince. Rostliny dovedou produkovat energii v závislosti na nejpomalejších komponentech fotosyntézy. "Nalezli jsme reakce, které jsou v procesu fotosyntézy nejméně efektivní. Následně jsme rostlinám pomohli, aby daný proces urychlily," vysvětluje Lopez-Calcagno. Tento způsob je zcela stejný, jako bychom ke zmíněné výrobní lince zaměstnali například více pracovníků, nebo nepříliš výkonné nahradili schopnějšími.

Výzkum je součástí mezinárodního projektu RIPE (Realizing Increased Photosynthetic Efficiency), vedeného University of Illinois. Projekt má za cíl zefektivnit fotosyntézu a vypěstovat produktivnější zemědělské plodiny, se kterými bychom jako lidstvo snáze čelili potravinové krizi. Projekt podporuje například nadace Bill & Melinda Gates, U.S. Foundation for Food and Agriculture Research (FFAR), nebo U.K. Government's Department for International Development (DFID).

Aby vědci nalezli limitující reakce, modelovali každý ze 170 kroků celé fotosyntézy. Jeden z kroků se nachází v její úvodní části, kdy rostliny přeměňují světlo na chemickou energii. Zde podpořili protein plastocyanin, přenášející elektrony. Tato transportní molekula byla elektrony nadměrně zatížena a nedokázala je tudíž rychleji přenášet na akceptorový protein. Vědci proto jeho funkci podpořili připojením cytochromu c6, účinnějšího transportéru elektronů, který zastává podobnou roli u řas. Protože oba proteiny vyžadují pro svou práci vazbu odlišných kovů (plastocyanin měď, cytochrom železo), může řasa mezi těmito transportéry vybírat podle jejich aktuální dostupnosti.

Druhý krok naopak ve fázi, kdy je oxid uhličitý fixován do podoby organické molekuly cukru (tzv. Calvinův cyklus). Zde zvolil podobný postup jako u elektron-transportních řetězců a zaměřil se na konkrétní enzym sedoheptulóza bisfosfatáza, zkráceně SPBáza.

Tým vědců z University of Essex. Vlevo můžeme vidět kontrolní nemodifikovanou rostlinu, uprostřed rostlinu s jednou modifikovanou reakcí, napravo pak rostlinu modifikovanou v obou dvou reakcích, zdroj: RIPE

Vědci rovněž zjistili, že takto upravené rostliny produkují více biomasy za menší spotřeby vody. Jak k tomuto šetření dochází zatím není jisté a objasnění jeho mechanismu se stává dalším cílem výzkumného týmu. Tyto výsledky nejsou rozhodně jediným úspěchem projektu RIPE - jeden z prvních objevů, publikovaný v časopise Science, umožnil rostlinám reagovat na měnící se světelné podmínky a zvýšit výnosnost až o 20%.

Kontrolní rostlina, rostlina s jednou modifikací a se dvěma, zdroj: RIPE

"Očekáváme, že kooperací jednotlivých výstupů v rámci RIPE projektu bychom mohli být do budoucna schopni zvýšit výnos plodin až o 60%," říká Stephen Long, ředitel RIPE z Carl R. Woese Institute for Genomic Biology v Illinois. Projekt se společně se svými sponzory zavázal k tomu, aby vyvinuté postupy a technologie byly do budoucna zpřístupněny zemědělcům po celém světě.

Zdroj: phys.org, zdroj titulní fotografie: Markus Spiske, Unsplash