Fotosynthese is het natuurlijke proces dat planten en algen gebruiken om zonlicht op te vangen en koolstofdioxide vast te leggen in energierijke suikers die de groei stimuleren, ontwikkeling, en in het geval van gewassen, opbrengst. Algen ontwikkelden gespecialiseerde kooldioxideconcentratiemechanismen (CCM) om veel efficiënter te fotosynthetiseren dan planten. Deze week, in het journaal Proceedings van de National Academy of Sciences , een team van de Louisiana State University (LSU) en de University of York rapporteren een lange tijd onverklaarbare stap in de CCM van groene algen - wat essentieel is om een ​​functionele CCM in voedselgewassen te ontwikkelen om de productiviteit te verhogen.

"De meeste gewassen worden geplaagd door fotorespiratie, die optreedt wanneer Rubisco - het enzym dat de fotosynthese aanstuurt - geen onderscheid kan maken tussen levensondersteunende kooldioxide- en zuurstofmoleculen die grote hoeveelheden energie van de plant verspillen, " zei James Moroney, de Streva Alumni Professor bij LSU en lid van Realizing Verhoogde Photosynthetic Efficiency (RIPE). "Uiteindelijk, ons doel is om een ​​CCM in gewassen te ontwikkelen om Rubisco te omringen met meer koolstofdioxide, waardoor het efficiënter wordt en er minder kans is om zuurstofmoleculen te grijpen - een probleem dat erger wordt naarmate de temperatuur stijgt."

Onder leiding van de Universiteit van Illinois, RIPE is een internationaal onderzoeksproject dat gewassen ontwikkelt om productiever te zijn door de fotosynthese te verbeteren met steun van de Bill &Melinda Gates Foundation, de Amerikaanse Stichting voor Voedsel- en Landbouwonderzoek (FFAR), en het Department for International Development (DFID) van de Britse regering.

Terwijl koolstofdioxide relatief gemakkelijk door celmembranen diffundeert, bicarbonaat (HCO3-) diffundeert ongeveer 50, 000 keer langzamer vanwege de negatieve lading. De groene algen Chlamydomonas reinhardtii , bijgenaamd Chlamy, transporteert bicarbonaat over drie celmembranen naar het compartiment dat Rubisco huisvest, een pyrenoïde genoemd, waar het bicarbonaat weer wordt omgezet in koolstofdioxide en gefixeerd in suiker.

"Voor nu, we begrepen niet hoe bicarbonaat de derde drempel overschreed om de pyrenoïde binnen te gaan, " zei Ananya Mukherjee, die dit werk leidde als een afgestudeerde student aan de LSU voordat hij als postdoctoraal onderzoeker aan de Universiteit van Nebraska-Lincoln ging werken. "Voor jaren, we hebben geprobeerd het ontbrekende onderdeel te vinden, maar het blijkt dat er drie transporteiwitten bij deze stap betrokken zijn - die de ontbrekende schakel waren in ons begrip van de CCM van Chlamydomonas reinhardtii ."

"Terwijl andere transporteiwitten bekend zijn, we speculeren dat deze gemakkelijker met gewassen kunnen worden gedeeld omdat Chlamy nauwer verwant is aan planten dan andere fotosynthetische algen, zoals cyanobacteriën of diatomeeën, " zei Luke Mackinder, een docent in York die aan dit werk samenwerkte met het RIPE-team met steun van de Biotechnology and Biological Sciences Research Council (BBSRC) en de Leverhulme Trust.

Voor het creëren van een functionele CCM in gewassen zijn drie dingen nodig:een compartiment om Rubisco op te slaan, transporters om bicarbonaat naar het compartiment te brengen, en koolzuuranhydrase om bicarbonaat om te zetten in koolstofdioxide.

In een onderzoek uit 2018 RIPE-collega's van de Australian National University hebben aangetoond dat ze een compartiment kunnen toevoegen dat een carboxysoom wordt genoemd, die lijkt op een pyrenoïde, bij gewassen. Deze studie voltooit nu de lijst van mogelijke transporteiwitten die bicarbonaat van buiten de cel naar deze carboxysoomstructuur in bladcellen van gewassen kunnen transporteren.

"Ons onderzoek suggereert dat het creëren van een functionele CCM in gewassen gewassen zou kunnen helpen meer water te besparen en het energiebelastende proces van fotorespiratie in gewassen aanzienlijk zou kunnen verminderen - dat verslechtert naarmate de temperatuur stijgt, "Zei Moroney. "De ontwikkeling van klimaatbestendige gewassen die efficiënter kunnen fotosynthetiseren, zal van vitaal belang zijn voor het beschermen van onze voedselzekerheid."

Het realiseren van verhoogde fotosynthetische efficiëntie (RIPE) is het ontwikkelen van basisvoedselgewassen om de energie van de zon efficiënter om te zetten in voedsel om de wereldwijde voedselproductie duurzaam te verhogen, met steun van de Bill &Melinda Gates Foundation, de Amerikaanse Stichting voor Voedsel- en Landbouwonderzoek, en het ministerie van Internationale Ontwikkeling van de Britse regering.