Genetikai áttörés: forradalom jön a mezőgazdaságban

Don Ort, Paul South és Amanda Cavanagh, a kutatásban részt vevő tudósok. Fotó: Claire Benjamin/RIPE Project

Fontos áttörést értek el amerikai kutatók a fotoszintézis hatékonyabbá tételével - azt állítják, ez a felfedezés vezet majd a következő mezőgazdasági forradalomhoz. Az Illinois-i Egyetem és az Egyesült Államok Mezőgazdasági Kutatási Szolgálata géntechnológiával javított a folyamaton, amelynek célja a szerves anyag létrehozása a napenergia segítségével.

A kísérlethez dohánynövényt használtak - ennek ugyanis már jól ismerik a genetikai felépítését. A génmódosított dohánynövények 40 százalékkal jobb termést eredményeztek valós (tehát nem laboratóriumi) körülmények között, mint a változtatás nélküli, eredeti egyedek - derül ki a Science magazinban publikált eredményekből, amelyeket a Financial Times szemlézett. A kísérlet eredményeinek összegzését követően idén a technológiát kipróbálják a krumplin is - ez a növény közeli rokona a dohánynak. Később olyan, rendkívül fontos élelmiszernövényeket vonnak be, mint a szója, a rizs és más gabonafélék.

Mi baj van a fotoszintézissel, hogy javítani kell rajta?

A fotoszintézis hatékonyságát egy másik, a növényekben végbemenő energiaigényes folyamat rontja: a fotorespiráció, más néven fénylégzés. Az amerikai kutatók a fotorespiráció energiaigényét tudták csökkenteni a közben végbemenő természetes biokémiai folyamatok átalakításával - így a megspórolt kalóriák is a növény növekedését szolgálhatják.

A fénylégzés (fotorespiráció) a fotoszintetizáló növényi sejtekben nagy melegben, erős megvilágítás hatására lezajló folyamat. Segítségével a növény a párologtatás visszafogása érdekében bezárt gázcserenyílások és a megkötés miatt lecsökkent szöveti szén-dioxid-koncentráció mellett is képes megvédeni sejtjeit a napsugárzás okozta károsodástól. A folyamat során szén-dioxid-kötés helyett oxidáció zajlik le, amely levezeti a beérkező felesleges napenergiát - írja a Növénytan című e-tankönyv.  A fotorespiráció hátránya, hogy csökkenti a szerves anyag mennyiségét.

A természet persze nem hülye, hogy egy olyan alapvető folyamatot, mint a fotoszintézist hibásan "fejlesszen ki", amely hibát aztán csak az ember tudna kijavítani - a körülmények azonban nagyon sokat változtak. A cikk azt írja: a fotoszintézis folyamatában kulcstényező a Rubisco néven ismert enzim (ribulóz-1,5-bifoszfát karboxiláz/oxigenáz, ha így többet mond), ami - leegyszerűsítve - lehetővé teszi, hogy a sejtek szénhidrátokat állítsanak elő széndioxidból víz és napfény jelenlétében. A Rubisco a földtörténet korai időszakában alakult ki az egyszerű, fotoszintetizáló organizmusokban - amikor az oxigénszint még nagyon alacsony volt a légkörben. A mostani légköri viszonyok (magasabb oxigénszint) mellett viszont hibásan működik az enzim, a működési idő 20 százalékában oxigénmolekulát köt meg szén-dioxid helyett - ennek a folyamatnak az eredményeként jön létre a növény számára káros végtermék, amelytől csak az energiaigényes fotorespriráció tudja megszabadítani.

A kutatók most drasztikusan leegyszerűsítették azt a hosszú és rendkívül komplex biokémiai folyamatot, amely alapesetben a fotorespiráció során végbemegy - így a növénynek több energiája marad arra, hogy gyökeret, szárat, levelet és magokat növesszen.

A különbséget az alábbi fotókkal szemléltetik: bal oldalon a módosított, jobb oldalon a nem módosított növények, a középső csúszka húzogatásával hasonlíthatjuk össze őket:

Százmilliók juthatnak majd élelemhez

A kutatásban részt vevő egyetem professzora, Donald Ort szerint a fotorespiráció miatt az Egyesült Államok középnyugati területein egy év alatt elveszett kalóriamennyiség elegendő lenne 200 millió ember élelmezéséhez. Ha ennek a kalóriamennyiségnek csak egy részét is sikerülne világszerte "megtartani", az óriási előrelépést jelentene a 21. században rendkívül gyorsan növekvő élelmiszer-igény kielégítésében.

Paul South, a kísérleti projekt vezetője elmondta: rendkívül izgatottak, mivel a kísérlet során jóval több szerves anyag keletkezett, mint amire számítottak. A termésátlag világszerte kevesebb mint 2 százalékkal növekszik évente - ez nem elegendő ahhoz, hogy biztosítsa a növekvő globális népesség élelmiszer-ellátását a következő évtizedekben. A most kifejlesztett technológia élelmiszernövényekben történő alkalmazása és a szükséges engedélyek beszerzése jó eséllyel egy évtizednél is több időt vesz majd igénybe. Bár a mezőgazdasági biotechnológia eredményei természetesen üzleti profittal is kecsegtetnek, a Ripe program alapítói elkötelezettek aziránt, hogy a program keretében elért eredményekből a kistermelők, különösen a szubszaharai és délkelet-ázsiai területeken élők ingyenesen részesedhessenek.

A Bill & Melinda Gates Alapítvány, az amerikai Alapítvány az Élelmiszerügyi és Mezőgazdasági Kutatásokért és az amerikai Nemzetközi Fejlesztési Minisztérium 58 millió dollárt fektetett be egy 5 éves programba, amelyet a Ripe (Realising Increased Photosynthetic Efficiency, azaz a fotoszintézis hatékonyságának növelése) névre kereszteltek - a program keretében végezték a mostani kutatást is.