For å mate verden, forbedre fotosyntesen

WHITTEN SABBATINI

Inne i et lunt drivhus i sentrale Illinois, sår et støyende, men fokusert par forskere eksperimentelle planter. Forskerne fukter jorda og pakker den inn i potter, og tipper deretter ørsmå mørkebrune tobakksfrø forsiktig ut av hetteglass. I månedene som følger, vil forskerne flytte plantene ut på et felt og se om de vokser seg større eller raskere enn vanlig – et avgjørende skritt mot å forsyne verden av 2050.

Disse tobakksplantene har blitt konstruert på et mer grunnleggende nivå enn typiske bioteknologiske avlinger. Måten de utfører fotosyntesen på har blitt tullet med slik at de omdanner sollys og karbondioksid mer effektivt til karbohydrater. Hvis forskerne gjør det i matvekster, kan en hvilken som helst tomt produsere mer mat, eller produsere samme mengde mat med mindre vann og gjødsel.

Denne historien var en del av utgaven for september 2017

• Se resten av saken
• Abonnere

Behovet er akutt. For å brødfø en voksende befolkning, prosjekterer FN, må verdensomspennende landbruksavlinger øke med 50 prosent mellom nå og 2050. Og det ambisiøse målet tar ikke hensyn til effektene av klimaendringer. Planter trives med karbondioksid, men veldig varme dager undertrykker avlingene. I mange deler av verden vil de økende temperaturene og økte tørkeperioder forårsaket av klimaendringer være ødeleggende. Og de negative effektene vil ha størst innvirkning på de fattige, sier Steve Long, direktør for prosjektet Realizing Increased Photosynthetic Efficiency (RIPE), et internasjonalt konsortium basert ved University of Illinois i Urbana-Champaign.

RIPE-prosjektet, finansiert av Bill og Melinda Gates Foundation, starter med tobakk fordi det er relativt enkelt å genmanipulere. Men RIPEs egentlige mål er å forbedre utbyttet av matvekster som kassava og cowpeas, som er viktige kilder til kalorier og protein i mange fattige land. Og det jobbes med mye mer ambisiøse endringer i plantemetabolismen enn det som er gjort tidligere.

Agronomer har ennå ikke presset fotosyntesen til sine grenser. Det er til tross for at denne 160-trinns biokjemiske prosessen er veldig godt studert, og overraskende ineffektiv - planter konverterer mindre enn 5 prosent av energien i sollys til biomasse. En enda mindre del av dette er investert i de delene av planter folk liker å spise: frø, knoller, bønner. Moderne landbruk har forbedret avlingene enormt takket være gjødsel, plantevernmidler og tradisjonell avl. Nå er det vanskeligere å oppnå gevinster. Det er derfor RIPE-gruppen retter seg mot ineffektivitet i plantemetabolisme. (Andre forskere prøver varianter av den samme ideen; se 10 Breakthrough Technologies 2015: Supercharged Photosynthesis.)

Relatert historie

Relatert historie

I fjor demonstrerte RIPE-forskere for første gang at det var mulig å forbedre avlingene i åkeren ved å konstruere fotosyntese. Ved å øke ekspresjonsnivåene til tre gener som er involvert i prosessering av lys, forbedret de tobakksutbyttet med 20 prosent.

Nå prøver RIPE-teamet å bruke det samme genteknologiske trikset for å øke avlingene i mer gjenstridige matvekster. Å få det til i kassava faller delvis til Amanda De Souza, en postdoktor fra Brasil.

Genteknologi av fotosyntese i kassava er en delikat og langvarig prosess. De Souza åpner en petriskål for å vise frem kassavaembryoer, lysegule klynger som er omtrent en millimeter brede. Hun dyrker dem ved å bruke vev plukket fra en knopp på en fullvoksen kassavaplante. Denne klyngen av celler, kalt kallus, kan bli infisert med bakterier som bærer lysbehandlingsgenene. Bare noen få celler vil faktisk ta opp genene. De som gjør det, vil da bli utsatt for en hormoncocktail som får dem til å vokse en stilk og røtter.

I kassava tar denne genetiske transformasjonen åtte til 10 måneder - det vil si hvis alt går bra. Andre viktige matvekster, inkludert ris og cowpeas, er litt raskere.

Nede i gangen åpner De Souza et skaplignende rom oversvømmet av kunstig sollys. I hyllene vokser unge kassavaplanter i plastkrukker, røttene deres er omgitt av en næringsgelé som plukkes av for hånd før plantene kan gå i jorden.

RIPEs forsøksfelt ligger en 10-minutters kjøretur fra laboratoriene. I denne delen av landet dyrker gårder for det meste soyabønner og mais. Det er opp til David Drag, RIPEs feltforsøksleder, å finne ut hvordan den sentrale Illinois-jorden kan gi næring til avlinger som kassava og ris. For ett prosjekt hjalp en samarbeidspartner ham med å bygge en rismark. Men i 2015, husker han bedrøvelig, så han et av RIPEs nøkkelprosjekter drukne i et kraftig regnvær i sensesongen, til tross for lagets innsats for å grave skyttergraver og demninger. Et års arbeid gikk tapt – en ydmykende påminnelse om at selv den mest avanserte landbruksvitenskapen fortsatt er prisgitt naturen.

De konstruerte tobakksplantene i dette drivhuset er sammenkoblet med poser for å samle frøene de slipper, for bruk i fremtidige tester.

Til venstre: Denne roboten manøvrerer seg gjennom felt for å måle biomasse og andre aspekter ved plantevekst.
Høyre: Dette apparatet, festet på et tobakksblad, sonderer plantens metabolisme. Den måler temperatur og fuktighet ved bladets overflate og suger oksygen og andre gasser ut av bladet inn i en kjemisk analysator.

Disse unge kassavaplantene har blitt genetisk konstruert for å behandle sollys mer effektivt.

Til venstre: Noe av grunnforskningen på fotosyntesens molekylære biologi er gjort i alger i petriskåler. Til høyre: Et kart over klorofyll i en plante, laget av et fluorescensbildeapparat.

Til venstre: Et fluorescensbildeapparat utsetter planter for lysglimt for å måle hvor raskt de reagerer på skiftende lysnivåer.
Høyre: En visning inne i fluorescensbildeapparatet.

Disse eksperimentene har bidratt til å fastslå at tobakksplanter gir høyere utbytte hvis de raskere kan slå av produksjonen av en molekylær solkrem når lysnivået faller. Planter som presterer godt i disse forsøkene går videre til feltforsøk.

gjemme seg