Malý rohatec ukrývá klíč k revoluci v zemědělství: Zvýší výnosy plodin až o 60 %

Mezinárodní tým vědců odhalil, jak rostlinka rohatec zefektivňuje fotosyntézu. Jejich objev by mohl vést k plodinám s až o 60 % vyššími výnosy, snížit potřebu hnojiv a spotřebu vody. Jde o zásadní krok pro udržitelné zemědělství.

Život na Zemi, jak ho známe, by neexistoval bez jednoho klíčového enzymu: ribulosa-1,5-bisfosfát karboxyláza/oxygenáza, známého spíše jako rubisco. Tento protein umožňuje fotosyntézu, proces, kterým rostliny přeměňují oxid uhličitý na cukry. Přestože je rubisco pro život nezbytné, je překvapivě neefektivní. Enzym se snadno splete a reaguje s kyslíkem, což vytváří toxický vedlejší produkt, plýtvá energií a omezuje rychlost růstu rostlin. Tato neefektivita se navíc zhoršuje s rostoucími globálními teplotami, což činí problém ještě naléhavějším pro plodiny, které živí lidstvo.

Řešení by mohl nabídnout rohatec, drobná rostlina příbuzná mechům, která roste jako zelený koberec na zemi. Je to jediná známá suchozemská rostlina, která evolučně našla způsob, jak výrazně zefektivnit rubisco koncentrací oxidu uhličitého kolem enzymu. Mezinárodní tým vědců nyní zjistil, jak rohatec tento mechanismus využívá, a zkoumá, jak by tuto schopnost mohl aplikovat na zemědělské plodiny. To by mohlo vést k výraznému zvýšení výnosů, což by znamenalo, že zemědělci by nemuseli obdělávat tolik půdy k vypěstování stejného množství potravy.

Vědci již dlouho vědí, že některé druhy řas také zlepšují účinnost rubisca. Uvnitř jejich chloroplastů vyvinuly specializované oddíly známé jako pyrenoidy, které koncentrují CO2 kolem enzymu a minimalizují jeho reakci s kyslíkem. Genetická modifikace plodin, aby napodobily pyrenoidy řas, by však byla náročná kvůli jejich vzdálené příbuznosti s potravinářskými plodinami. Rohatce jsou naopak příbuznější. Vědci zjistili, že rohatec vytváří tyto pyrenoidní struktury jedinečným způsobem díky proteinu, který nazývají RbcS-STAR. Rubisco ve všech rostlinách je tvořeno proteiny, ale verze rohatce má extra „ocas“, který pomáhá spojovat enzymy dohromady a vytvářet oddíly, do kterých se pumpuje CO2, čímž se zvyšuje účinnost procesu.

Výzkumníci úspěšně zavedli protein RbcS-STAR do blízce příbuzného druhu rohatce, který pyrenoidy nemá, a jeho rubisco se reorganizovalo tak, aby tyto oddíly vytvořilo. Stejný experiment provedli s Arabidopsis, malou kvetoucí rostlinou běžně používanou v laboratorních experimentech, a ta také reagovala. Tyto pyrenoidům podobné struktury představují velmi důležitý krok k vylepšení fotosyntézy pomocí tohoto mechanismu koncentrace CO2. Tým nyní usiluje o genetickou modifikaci plodin, přičemž se odhaduje, že přidání pyrenoidních struktur by mohlo zvýšit růst a výnosy až o 60 procent.

Zatím vědci postavili pouze „dům“ podobný pyrenoidu, tedy jeho stěny a střechu. Dalším krokem je vyvinout systém, který bude pumpovat CO2 dovnitř a na konci vypumpovat cukerné produkty. Jakmile se jim to podaří, mohlo by to mít obrovský dopad na zemědělce po celém světě. Vzhledem k neefektivitě rubisca musí rostliny produkovat velké množství tohoto enzymu, což vyžaduje použití syntetických hnojiv. Tyto chemikálie jsou nejen drahé, ale také škodlivé pro životní prostředí, protože jejich výroba je energeticky náročná a znečišťují vodní toky při splachu z polí.