Повышение эффективности фотосинтеза
 | |
| Учредил | 2012 |
|---|---|
| Миссия | RIPE занимается проектированием предприятий, способных более эффективно превращать солнечную энергию в продукты питания, чтобы устойчиво повысить производительность продуктов питания во всем мире. |
| Директор | Стивен П. Лонг |
| Бюджет | 45 миллионов долларов |
| Веб-сайт | спелый |
«Реализация повышенной эффективности фотосинтеза» (RIPE) — это трансляционный исследовательский проект, целью которого является генная инженерия растений для более эффективного фотосинтеза и повышения урожайности сельскохозяйственных культур. [ 1 ] RIPE стремится увеличить сельскохозяйственное производство во всем мире, в частности, помочь сократить голод и бедность в странах Африки к югу от Сахары и Юго-Восточной Азии путем устойчивого повышения урожайности ключевых продовольственных культур, включая соевые бобы , рис , маниоку. [ 2 ] и вигна . [ 3 ] Проект RIPE начался в 2012 году и финансируется за счет пятилетнего гранта в размере 25 миллионов долларов от Фонда Билла и Мелинды Гейтс . [ 4 ] правительства Великобритании В 2017 году проект получил реинвестирование в размере 45 миллионов долларов от Фонда Гейтса, Фонда продовольственных и сельскохозяйственных исследований и Департамента международного развития . [ 5 ] В 2018 году Фонд Гейтса выделил дополнительно 13 миллионов долларов для ускорения реализации проекта. [ 6 ]
Фон
[ редактировать ]В течение 20-го века Зеленая революция резко увеличила урожайность благодаря достижениям в селекции растений и землепользовании . [ 7 ] Этот период сельскохозяйственных инноваций считается спасением миллионов жизней. [ 8 ] Однако эти подходы достигают своего биологического предела, что приводит к стагнации улучшения урожайности. В 2009 году Продовольственная и сельскохозяйственная организация США прогнозировала, что к 2050 году мировое производство продуктов питания должно увеличиться на 70%, чтобы прокормить примерно 9 миллиардов человек. [ 9 ] Удовлетворение потребностей 2050 года еще более осложняется сокращением пахотных земель , сокращением природных ресурсов и изменением климата . [ 10 ]
Исследовать
[ редактировать ]Исследование, подтверждающее концепцию проекта RIPE, показало, что фотосинтез можно улучшить, чтобы увеличить урожайность. [ 11 ] опубликовано в журнале Science . [ 12 ] The Guardian назвала это открытие одним из 12 ключевых научных моментов 2016 года. [ 13 ] Компьютерное моделирование определяет стратегии по улучшению основных механизмов фотосинтеза и увеличению урожайности. [ 14 ] Во-первых, исследователи трансформируют или генетически проектируют модельные растения, которые тестируются в контролируемых средах, например, в камерах выращивания и теплицах. Затем успешные трансформации проверяются в рандомизированных повторяющихся полевых испытаниях. Наконец, преобразования со статистически значимым увеличением урожайности передаются на целевые продовольственные культуры проекта. [ 15 ] Вероятно, можно объединить несколько подходов для аддитивного увеличения урожайности. «Глобальный доступ» гарантирует, что мелкие фермеры смогут использовать и позволить себе интеллектуальную собственность проекта. [ 16 ]
| Стратегии исследований | Описание |
|---|---|
| Моделирование фотосинтеза | С быстрым развитием высокопроизводительных вычислений стало возможным моделировать фотосинтез в динамических моделях, в которых каждая из связанных реакций полностью представлена, обеспечивая реалистичное in silico представление всего процесса с помощью системы связанных дифференциальных уравнений. Мы разработали реалистичные изображения кроны 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 фотозащита | Благодаря фотозащите растения защищают себя от повреждения ярким светом, рассеивая избыточную световую энергию в виде тепла. Однако этот защитный процесс продолжается и тогда, когда лист затенен облаком или другим листом, что ограничивает фотосинтез. [ 17 ] RIPE идентифицировал и активировал гены, которые ускоряют это расслабление, что позволило увеличить урожайность на 14-20% в повторных полевых испытаниях. [ 18 ] |
| Фотореспираторное шунтирование | RuBisCO регулярно совершает ошибку, реагируя с кислородом вместо углекислого газа. Полученные химические вещества должны быть переработаны обратно в производственную линию, тратя энергию в результате процесса, называемого фотодыханием . Некоторые бактерии перерабатывают эти химические вещества более эффективно. RIPE внедряет эти более эффективные пути (или сокращенные пути) в выращивание сельскохозяйственных культур. [ 19 ] В ходе знакового исследования ученые RIPE разработали методы фотодыхания, которые увеличили урожайность на 40 процентов. [ 20 ] |
| Регенерация РуБФ | Цикл Кальвина , ключевая часть фотосинтеза, представляет собой многоэтапный процесс, который регенерирует молекулу-акцептор углекислого газа, используемую RuBisCO для создания сахара, который питает рост растений. Каждый этап основан на белковых катализаторах, известных как ферменты . RIPE оптимизирует количество каждого фермента, чтобы весь процесс фотосинтеза стал более эффективным. [ 21 ] |
| Улучшение RubisCO | RIPE исследовал широкий спектр растений и водорослей, чтобы найти формы RuBisCO, которые быстрее и с меньшей вероятностью принимают кислород за углекислый газ. В настоящее время в рамках проекта разрабатываются культуры с использованием этих более эффективных форм RuBisCO или модифицируются существующие RuBisCO для соответствия этим более эффективным формам. [ 22 ] [ 23 ] [ 24 ] |
| Оптимизация навесов | Слои урожайных листьев создают навес , но верхние листья получают больше света, чем могут использовать, в то время как нижние листья испытывают недостаток света. Изменяя цвет и угол наклона листьев, свет более равномерно распределяется по кроне, что увеличивает фотосинтетическую активность всего растения. [ 25 ] |
| Водорослевые механизмы | RuBisCO катализирует извлечение углекислого газа из воздуха в сахар, чтобы стимулировать рост растения, но ограничен поступлением углекислого газа. Используя механизмы водорослей , растения проектируются так, чтобы перекачивать углекислый газ в RuBisCO для ускорения фотосинтеза. |
| Проводимость мезофилла | Проводимость мезофилла измеряет, насколько легко углекислый газ может диффундировать через лист и достигать RuBisCO. RIPE модифицирует пути, помогающие углекислому газу проходить через клеточную мембрану, цитоплазму, оболочку хлоропласта и стому хлоропласта и достигать RuBisCO. |
| Продвинутый перевод | Трансформации подтверждаются, от экспрессии генов до производства целевых белков, а затем фенотипируются в теплице и тестируются в повторяющихся полевых испытаниях. Как только будет доказано, что какой-то признак успешен, мы приступаем к более сложной и трудоемкой задаче по преобразованию основных продовольственных культур, включая соевые бобы, маниоку, вигну и рис. |
Организация
[ редактировать ]RIPE возглавляет Университет Иллинойса при Институте геномной биологии Карла Р. Везе . В число партнерских учреждений проекта входят Австралийский национальный университет , Китайская академия наук , Организация Содружества по научным и промышленным исследованиям , Ланкастерский университет , Университет штата Луизиана , Калифорнийский университет в Беркли , Кембриджский университет , Университет Эссекса и Министерство сельского хозяйства США. / Служба сельскохозяйственных исследований .
Исполнительный комитет курирует различные исследовательские стратегии; его члены перечислены в таблице ниже.
| Заголовок | Имя | учреждение | Цель |
|---|---|---|---|
| Директор | Стивен П. Лонг | Университет Иллинойса; Ланкастерский университет | Моделирование фотосинтеза; Расслабляющая фотозащита; Проводимость мезофилла |
| Заместитель директора | Дональд Плейс | Университет Иллинойса | Фотореспираторное шунтирование |
| Руководитель исследований | Кристин Рейнс | Университет Эссекса | Регенерация РуБФ |
| Руководитель исследований | Сюзанна фон Кеммерер | Австралийский национальный университет | Водорослевые механизмы |
| Руководитель исследований | Мартин Парри | Ланкастерский университет | Улучшение Рубиско |
| Руководитель исследований | Крис Нийоги | Калифорнийский университет в Беркли | Расслабляющая фотозащита |
| Руководитель исследований | Лиза Эйнсворт | Университет Иллинойса | Оптимизация навесов |
| Руководитель исследований | Ти Джей Хиггинс | Организация Содружества научных и промышленных исследований | Продвинутый перевод |
| Руководитель проекта | Лиза Эмерсон | Университет Иллинойса | Н/Д |
Ссылки
[ редактировать ]- ^ «Чтобы накормить мир, улучшите фотосинтез» . Technologyreview.com. 14 августа 2017 г. Проверено 03 апреля 2018 г.
- ^ «Исследования показывают, как выращивать больше маниоки, одной из ключевых продовольственных культур в мире» . theconversation.com. 24 января 2017 г. Проверено 03 апреля 2018 г.
- ^ «Измученные вредителями, африканские фермеры вскоре могут получить бесплатный доступ к устойчивой к насекомым ГМО вигне» . сайт Geneticliteracyproject.org. 23 января 2018 г. Проверено 03 апреля 2018 г.
- ^ «Переработка сельскохозяйственных культур в XXI веке» . psmag.com. 05.08.2015 . Проверено 03 апреля 2018 г.
- ^ «FFAR присоединяется к проекту стоимостью 45 миллионов долларов по повышению урожайности сельскохозяйственных культур за счет фотосинтеза» . agri-pulse.com. 15 сентября 2017 г. Проверено 03 апреля 2018 г.
- ^ «Проект RIPE получит дополнительно $13 млн» . igb.illinois.edu. 20.11.2018 . Проверено 21 ноября 2018 г.
- ^ «Еда для всех» . Фао.орг . Проверено 8 ноября 2016 г.
- ^ «Сельскохозяйственное развитие - Фонд Билла и Мелинды Гейтс» . Gatesfoundation.org . Проверено 8 ноября 2016 г.
- ^ «Глобальное сельское хозяйство к 2050 году» (PDF) . Фао.орг . Проверено 8 ноября 2016 г.
- ^ «План накормить мир путем взлома фотосинтеза» . Gizmodo.com. 24 июня 2015 г. Проверено 8 ноября 2016 г.
- ^ «Принимая во внимание голод, ученые видят перспективу в генетическом изменении растений» . Нью-Йорк Таймс . 17.11.2016 . Проверено 03 апреля 2018 г.
- ^ «Как отключение солнцезащитного экрана растения может дать больший урожай» . сайт sciencemag.org . Проверено 8 ноября 2016 г.
- ^ «Сельскохозяйственный проект UI RIPE направлен на решение растущей проблемы» . news-gazette.com. 16 июля 2017 г. Проверено 03 апреля 2018 г.
- ^ «Чтобы накормить мир, нам, возможно, придется взломать фотосинтез» . gizmodo.com. 28 марта 2015 г. Проверено 03 апреля 2018 г.
- ^ «Проект RIPE демонстрирует прогресс в исследованиях фотосинтеза» . will.illinois.edu. 14 июля 2017 г. Проверено 03 апреля 2018 г.
- ^ «Глобальный доступ» . Gatesfoundation.org. 17.11.2016 . Проверено 2 февраля 2017 г.
- ^ «Повышение эффективности предприятия» . youtube.com. 21 ноября 2016 года . Проверено 2 февраля 2017 г.
- ^ Кромдейк, Йоханнес; Гловацкая, Катажина; Леонелли, Лорибет; Габилли, Стефан Т.; Иваи, Масакадзу; Нийоги, Кришна К.; Лонг, Стивен П. (18 ноября 2016 г.). «Улучшение фотосинтеза и продуктивности сельскохозяйственных культур за счет ускорения восстановления после фотозащиты» . Наука . 354 (6314). sciencemag.org: 857–861. Бибкод : 2016Sci...354..857K . дои : 10.1126/science.aai8878 . ОСТИ 1832459 . ПМИД 27856901 . S2CID 26991449 .
- ^ Эренберг, Рэйчел (15 декабря 2017 г.). «Исправление фотосинтеза» . Знающий журнал . Ежегодные обзоры. дои : 10.1146/knowable-121917-115502 . Проверено 03 апреля 2018 г.
- ^ Юг, Пол Ф.; Кавана, Аманда П.; Лю, Хелен В.; Орт, Дональд Р. (3 января 2019 г.). «Пути метаболизма синтетического гликолата стимулируют рост сельскохозяйственных культур и продуктивность в поле» . Наука . 363 (6422). sciencemag.org: eaat9077. дои : 10.1126/science.aat9077 . ПМЦ 7745124 . ПМИД 30606819 .
- ^ «Постепенные открытия могут однажды привести к фотосинтетическому прорыву» . phys.org. 29 июня 2017 г. Проверено 03 апреля 2018 г.
- ^ «Растительные ферменты могут стать ключом к будущей продовольственной безопасности» . Feedstuffs.com. 27 июля 2016 г. Проверено 15 июня 2017 г.
- ^ «Ферментное биоразнообразие – ключ к будущему сельскохозяйственных культур» . www.fareastnagricultural.com. 10 августа 2016 г. Проверено 03 апреля 2018 г.
- ^ «Ферменты, потенциально повышающие урожайность пшеницы» . sciencedaily.com/. 28 января 2016 г. Проверено 03 апреля 2018 г.
- ^ «Светлые верхние листья могут быть «хитом фотосинтеза» обрезки » . Farmfutures.com. 06 апреля 2015 г. Проверено 03 апреля 2018 г.