Realizace zvýšené fotosyntetické účinnosti - Realizing Increased Photosynthetic Efficiency

Realizace zvýšené fotosyntetické účinnosti (RIPE)
RIPE pole trials.jpg
Založeno2012
MiseRIPE je strojírna, která efektivněji přeměňuje sluneční energii na jídlo a tím trvale zvyšuje produktivitu potravin na celém světě.
ŘeditelStephen P. Long
Rozpočet45 milionů $
webová stránkazralý.illinois.edu

Realizace zvýšené fotosyntetické účinnosti (RIPE) je translační výzkum projekt, který je genetické inženýrství rostliny do fotosyntetizovat efektivněji zvýšit výnosy plodin.[1] RIPE si klade za cíl zvýšit celosvětovou zemědělskou produkci, zejména pomoci snížit hlad a chudobu v EU Subsaharská Afrika a Jihovýchodní Asie udržitelným zlepšováním výnosu klíčových potravinářských plodin včetně sójové boby, rýže, maniok[2] a cowpeas.[3] Projekt RIPE byl zahájen v roce 2012 a byl financován pětiletým grantem 25 milionů dolarů od Nadace Billa a Melindy Gatesových.[4] V roce 2017 získal projekt reinvestici ve výši 45 milionů dolarů od Gates Foundation, Foundation for Food and Agriculture Research a britské vlády Oddělení pro mezinárodní rozvoj.[5] V roce 2018 přispěla Gatesova nadace dalšími 13 miliony $ na urychlení postupu projektu.[6]

Pozadí

V průběhu 20. století Zelená revoluce dramaticky zvýšil výnosy díky pokrokům v pěstování rostlin a obhospodařování půdy.[7] Toto období zemědělských inovací se připisuje záchraně milionů životů.[8] Tyto přístupy však dosahují svých biologických limitů, což vede ke stagnaci ve zlepšování výnosů. V roce 2009 potravinářská a zemědělská organizace předpokládalo, že do roku 2050 se musí celosvětová produkce potravin zvýšit o 70%, aby se uživila odhadovaná světová populace 9 miliard lidí.[9] Splnění požadavků roku 2050 se dále zmenšuje orná půda, klesající přírodní zdroje, a klimatická změna.[10]

Výzkum

Studie prokázání koncepce projektu RIPE založená na fotosyntéze může být vylepšena, aby se zvýšila výtěžnost,[11] publikoval v Věda.[12] Opatrovník pojmenoval tento objev jedním z 12 klíčových vědeckých momentů roku 2016.[13] Simulace počítačových modelů identifikují strategie pro zlepšení základních mechanismů fotosyntézy a zvýšení výtěžku.[14] Nejprve vědci transformují nebo geneticky upravují modelové rostliny testované v kontrolovaných prostředích, např. růstové komory a skleníky. Dále jsou úspěšné transformace testovány v randomizovaných, replikovaných polních pokusech. Nakonec jsou transformace se statisticky významným zvýšením výnosu převedeny na cílové potravinové plodiny projektu.[15] Pravděpodobně lze kombinovat několik přístupů, aby se aditivně zvýšil výnos. „Globální přístup“ zajišťuje, že drobní zemědělci budou moci využívat a dovolit si duševní vlastnictví projektu.[16]

Strategie výzkumuPopis
Modelování fotosyntézyS rychlým nárůstem vysoce výkonných výpočtů je možné simulovat fotosyntézu v dynamických modelech, ve kterých je plně zastoupena každá z vázaných reakcí, což poskytuje realistické silikonové znázornění celého procesu se systémem propojených diferenciálních rovnic. Vyvinuli jsme realistické vykreslení vrchlíků listů plodiny, abychom přesněji předpovídali dynamiku mikroklimatu plodiny a distribuci světelné energie. Nyní můžeme tyto dva druhy simulací kombinovat do jednoho robustního modelovacího systému.
Relaxační ochrana fotografiíPřes fotoochrana se rostliny chrání před poškozením při vysokém vystavení světlu rozptylováním přebytečné světelné energie ve formě tepla. Tento ochranný proces však pokračuje, když je list zastíněn mrakem nebo jiným listem, což omezuje fotosyntézu.[17] RIPE identifikoval a up-reguloval geny, které urychlují tuto relaxaci, což zvýšilo výtěžek o 14% - 20% v replikovaných polních pokusech.[18]
Fotorespirační bypassRuBisCO pravidelně dělá tu chybu, že reaguje s kyslík místo oxidu uhličitého. Výsledné chemikálie musí být recyklovány zpět do výrobní linky a plýtvat energií tzv. Procesem fotorespirace. Některé bakterie tyto chemikálie recyklují efektivněji. RIPE zavádí tyto účinnější cesty - nebo zkratky - do plodin.[19] V mezníkové studii vytvořili vědci RIPE fotorespirační zkratky, které zvýšily výtěžek o 40 procent.[20]
Regenerace RuBPThe Calvinův cyklus, klíčová součást fotosyntézy, je vícestupňový proces, který regeneruje molekulu akceptoru oxidu uhličitého, kterou používá RuBisCO k výrobě cukru, který podporuje růst rostlin. Každý krok spoléhá na proteinové katalyzátory známé jako enzymy. RIPE optimalizuje množství každého enzymu tak, aby se celý fotosyntetický proces stal efektivnějším.[21]
Vylepšení RuBisCORIPE zkoumala širokou škálu rostlin a řas, aby našla formy RuBisCO, které jsou rychlejší a méně pravděpodobné, že zamění kyslík s oxidem uhličitým. Projekt nyní vytváří technické plodiny s těmito výkonnějšími formami RuBisCO nebo upravuje stávající RuBisCO tak, aby odpovídaly těmto efektivnějším formám.[22][23][24]
Optimalizace přístřeškůVrstvy plodin vytvářejí a baldachýn, ale horní listy přijímají více světla, než mohou použít, zatímco spodní listy jsou pro světlo vyhladovělé. Změnou barvy a úhlu listů je světlo rovnoměrněji rozloženo po vrchlíku, aby se zvýšila fotosyntetická aktivita v celé rostlině.[25]
Mechanismy řasRuBisCO katalyzuje extrakci oxid uhličitý ze vzduchu na cukr, aby podpořila růst rostliny, ale je omezena dodávkou oxidu uhličitého. Pomocí mechanismů od řasy, jsou vyvíjeny rostliny, které pumpují oxid uhličitý do RuBisCO, aby podpořily fotosyntézu.
Vodivost mezofyluMezofyl vodivost měří, jak snadno může oxid uhličitý difundovat přes list a dosáhnout RuBisCO. RIPE upravuje dráhy, aby pomohl oxidu uhličitému pohybovat se přes buněčnou membránu, cytoplazmu, obal chloroplastů a chloroplasty stomie dosáhnout RuBisCO.
Pokrok v překladuTransformace jsou potvrzeny, od genové exprese po produkci cílených proteinů, a poté fenotypizovány ve skleníku a testovány v replikovaných polních pokusech. Jakmile se vlastnost osvědčí jako úspěšná, začneme s obtížnějším a časově náročnějším úkolem transformace základních potravinářských plodin, včetně sójových bobů, manioku, cowpea a rýže.

Organizace

RIPE je veden University of Illinois na Carl R. Woese Institute for Genomic Biology. Mezi partnerské instituce projektu patří Australská národní univerzita, Čínská akademie věd, Organizace pro vědecký a průmyslový výzkum společenství, Lancaster University, Louisianská státní univerzita, Kalifornská univerzita v Berkeley, Univerzita v Cambridge, University of Essex a Ministerstvo zemědělství USA /Služba zemědělského výzkumu.

Výkonný výbor dohlíží na různé výzkumné strategie; její členové jsou uvedeni v tabulce níže.

TitulnázevInstituceObjektivní
ŘeditelStephen P. LongUniversity of Illinois; Lancaster UniversityModelování fotosyntézy; Relaxační fotoochrana; Vodivost mezofylu
Zástupce řediteleDonald OrtUniversity of IllinoisFotorespirační bypass
Vedoucí výzkumuChristine RainesUniversity of EssexRegenerace RuBP
Vedoucí výzkumuSusanne von CaemmererAustralská národní univerzitaMechanismy řas
Vedoucí výzkumuMartin ParryLancaster UniversityZlepšení Rubisco
Vedoucí výzkumuKris NiyogiKalifornská univerzita v BerkeleyRelaxační ochrana fotografií
Vedoucí výzkumuLisa AinsworthUniversity of IllinoisOptimalizace přístřešků
Vedoucí výzkumuTJ HigginsOrganizace pro vědecký a průmyslový výzkum společenstvíPokrok v překladu
Projektový manažerLisa EmersonUniversity of IllinoisN / A

Reference

  1. ^ „Nakrmit svět, vylepšit fotosyntézu“. technologyreview.com. 14. 8. 2017. Citováno 2018-04-03.
  2. ^ „Výzkum ukazuje, jak vypěstovat více manioku, jedné z klíčových potravinových plodin na světě“. theconversation.com. 2017-01-24. Citováno 2018-04-03.
  3. ^ „Africkí farmáři, kteří jsou sužováni škůdci, mohou mít brzy přístup k GMO kravám odolným proti hmyzu - zdarma“. genetickýliteracyprojekt.org. 2018-01-23. Citováno 2018-04-03.
  4. ^ „Přepracování plodin pro 21. století“. psmag.com. 2015-08-05. Citováno 2018-04-03.
  5. ^ „FFAR se připojuje k projektu ve výši 45 mil. USD na zvýšení výnosů plodin pomocí fotosyntézy“. agri-pulse.com. 15. 9. 2017. Citováno 2018-04-03.
  6. ^ „Projekt RIPE získává dalších 13 milionů dolarů“. igb.illinois.edu. 2018-11-20. Citováno 2018-11-21.
  7. ^ „Jídlo pro všechny“. Fao.org. Citováno 2016-11-08.
  8. ^ „Zemědělský rozvoj - Nadace Billa a Melindy Gatesových“. Gatesfoundation.org. Citováno 2016-11-08.
  9. ^ „Globální zemědělství do roku 2050“ (PDF). Fao.org. Citováno 2016-11-08.
  10. ^ „Plán nakrmit svět hackerstvím fotosyntézy“. Gizmodo.com. 2015-06-24. Citováno 2016-11-08.
  11. ^ „Vědci vidí slib hladu v genetickém vrtání rostlin“. nytimes.com. 17. 11. 2016. Citováno 2018-04-03.
  12. ^ „Jak vypnutí sluneční clony rostliny může pěstovat větší plodiny“. sciencemag.org. Citováno 2016-11-08.
  13. ^ „UI RIPE zemědělství projekt si klade za cíl řešit rostoucí problém“. news-gazette.com. 16. 07. 2017. Citováno 2018-04-03.
  14. ^ „Abychom nakrmili svět, možná budeme muset hacknout fotosyntézu“. gizmodo.com. 2015-03-28. Citováno 2018-04-03.
  15. ^ „Projekt RIPE ukazuje pokrok ve výzkumu fotosyntézy“. will.illinois.edu. 14. 7. 2017. Citováno 2018-04-03.
  16. ^ „Globální přístup“. gatesfoundation.org. 17. 11. 2016. Citováno 2017-02-02.
  17. ^ „Zvyšování efektivity zařízení“. youtube.com. Citováno 2017-02-02.
  18. ^ „Zlepšení fotosyntézy a produktivity plodin urychlením zotavení z fotoprotekce“. sciencemag.org. 2016-11-18. Citováno 2018-04-03.
  19. ^ „Oprava fotosyntézy“. knowablemagazine.org. 2017-12-15. Citováno 2018-04-03.
  20. ^ „Metody metabolismu glykolátu stimulují růst plodiny a produktivitu v terénu“. sciencemag.org. 2019-01-03. Citováno 2019-01-03.
  21. ^ „Postupný objev může jednoho dne vést k fotosyntetickému průlomu“. phys.org. 29. 06. 2017. Citováno 2018-04-03.
  22. ^ „Rostlinný enzym může být klíčem k budoucí potravinové bezpečnosti“. feedstuffs.com. 2016-07-27. Citováno 2017-06-15.
  23. ^ „Enzymová biologická rozmanitost klíč k budoucnosti plodin“. fareasternagriculture.com. 2016-08-10. Citováno 2018-04-03.
  24. ^ „Enzymy s potenciálem zvýšit výnosy pšenice“. sciencedaily.com/. 2016-01-28. Citováno 2018-04-03.
  25. ^ „Světlejší horní listy mohou být hackem fotosyntézy plodin'". farmfutures.com. 06.04.2015. Citováno 2018-04-03.