Vpliv sinteznih metabolnih poti glikolata na produktivnost rastlin

From Wiki FKKT

Jump to: navigation, search

Izhodiščni članek: South P.F., Cavanagh A. P., Liu H. W., Ort D. R. Synthetic glycolate metabolism pathways stimulate crop growth and productivity in the field. (2019) Science, 363(6422) https://science.sciencemag.org/content/363/6422/eaat9077.long

Contents

Uvod

Rast svetovnega prebivalstva, povečana poraba mesa in mleka so vzrok za vse večje potrebe po pridelavi rastlin. Da bi zagotovili preskrbo s hrano, bi morali do leta 2050 svetovno kmetijsko proizvodnjo povečati za 60 % do 110 % [1]. Povečano produktivnost pridelkov dosegamo z uporabo pesticidov, gnojil, namakanjem in mehanizacijo, medtem pa ostaja fotosintetska učinkovitost rastlin nespremenjena. To lahko spremenimo z manipulacijo nekaterih energetsko potratnih poti. Kot primer lahko navedemo oksigenacijo ribuloze-1,5-bisfosfata (RuBP), ki jo katalizira encim ribuloza-1,5-bisfostat karboksilaza oksigenaza (RuBisCO). RuBisCO lahko deluje kot karboksilaza ali oksigenaza. Kako bo encim deloval določata koncentracija ogljikovega dioksida in kisika v listih. Ko je prisotnega več ogljikovega dioksida deluje kot karboksilaza in povzroči Calvinov cikel, ko pa je prisotnega več kisika deluje kot oksigenaza in povzroči fotorespiracijo [2]. Pri oksigenaciji nastajata toksična stranska produkta 2-fosfoglikolat in glikolat, ki se preko procesa fotorespiracije pretvorita v netoksične produkte, pri tem pa se porabi veliko energije in fiksiranega ogljika. Podatki kažejo, da lahko fotorespiracija zmanjša fotosintetsko učinkovitost C3 pridelkov od 20 do 50 %. Temu se lahko izognemo z uvedbo alternativnih poti, ki jih uvedemo v rastlino in ji tako povečamo produktivnost [3].

Transgene rastline

V raziskavi so transformirali tobak Nicotiana tabacum tako, da je vsaka od treh linij rastlin vršila drugačno alternativno pot fotorespiracije. Za to rastlino so se odločili, ker je dober modelni organizem, saj poznamo celoten genom, ima kratko življenjsko dobo (3 mesece), ima uveljavljene protokole in zagotavlja visoko efektivnost, poleg tega pa se obnaša kot ostali pridelki na polju [3].

Rastline s konstruktom AP1 so imele vstavljene gene iz E. coli, ki kodirajo glikolat dehidrogenazo, glioksilat karboligazo in tartonsko semialdehidno reduktazo; rastline s konstruktom AP2 so vsebovale zaporedje glikolat oksidaze iz Arabidopsis thaliana, malat oksidaze iz bučk Cucurbita maxima in katalaze iz bakterije E. coli; rastline s konstruktom AP3 pa so vsebovale zaporedje malat sintaze iz bučk (C. maxima) in glikolat oksidaze iz Chlamydomonas reingardti. Poleg tega so ustvarili interferenčno RNA (RNAi) proti izražanju kloroplastnega transporterja glikolat-glicerat (PLGG1). S tem so zmanjšali tok metabolitov iz kloroplasta in preprečili nativno pot fotorespiracije [3].

Rezultati

Analiza transgenov

Najprej so preverili kakšno je izražanje transgenov in kje se izraženi proteini nahajajo. Prišlo je do močnega izražanja transgena, še posebej pri rastlinah z vključenim konstruktom RNAi, ki je znižal izražanje transporterja PLGG1 za 80 %. Analiza kloroplastov iz rastlin AP3 je potrdila, da usmerja konstrukt encima glikolat dehidrogenazo in malat sintazo v kloroplast. Delež malat sintaze je bil večji v kloroplastni frakciji, delež glikolat dehidrogenaze pa v netopni frakciji membrane, kar kaže na to, da je encim povezan z membranami kloroplastov [3].

Odpornost na fotorespiratorni stres

Vse transgene rastline so pokazale povečano odpornost na fotorespiratorni stres. Za fotorespiratorne mutante je običajna oslabljena rast in fotosinteza, če jih prenesemo iz povišanih koncentracij ogljikovega dioksida na običajno. Predvidevali so, da bi lahko z vnosom alternativnih poti zagotovili fotoprotektivnost pod visokim fotorespiratornim stresom in zaščitili učinkovitost fotosistema II pred fotopoškodbo [3].

Rastline brez izraženega transporterja PLGG1 in rastline divjega tipa so devet dni gojili pri povišani koncentraciji ogljikovega dioksida. Rastline brez transporterja so bile v primerjavi z rastlinami divjega tipa veliko manjše. Nato so transgene rastline izpostavili močni svetlobi in nizkim koncentracijam ogljikovega dioksida ter jih primerjali s kontrolnimi rastlinami (rastline divjega tipa in rastline s praznim vektorjem). Rastline AP1 in AP3 so pokazale od 33 do 48 % višje razmerje Fv '/ Fm' (večjo fotoprotektivnost) v primerjavi s kontrolami, razmerje pa se je nekoliko znižalo pri rastlinah, ki so vsebovale RNAi proti transporterju. Razlik v razmerju Fv '/ Fm' med transgenimi in kontrolnimi rastlinami pri atmosferski koncentraciji ogljikovega dioksida ni bilo [3].

Kopičenje biomase

Kopičenje biomase se je povečalo pri vseh treh linijah transgenih rastlin. Največji učinek je bil pri rastlinah AP3, ki pa se je pri rastlinah z vključenim konstruktom RNAi še povečal. AP3 so imele v primerjavi z rastlinami divjega tipa povečano rast za 18 %, rastline AP3 z RNAi pa kar za 24 %. Pri rastlinah AP1 je bila rast nekoliko nižja kot pri rastlinah AP3, pri rastlinah AP1 z vključenim modulom RNAi pa se je učinek izničil. Te rastline so bile nižje od rastlin AP1 brez RNAi. Vzrok za to bi lahko bila kinetična nezadostnost, saj rastline niso mogle upravljati s celotnim tokom glikolata ob visoki hitrosti oksigenacije encima RuBisCo. Rastline AP2 so imele omejeno izboljšanje produktivnosti, saj je v 24 % transgenih linij prišlo do upočasnjene rasti in rumenih listov. Zaradi teh rezultatov so za nadaljnje karakterizacije uporabili transgene rastline AP3 [3].

Sprememba fotorespiratornega metabolizma

V rastlinah AP3 z ali brez RNAi se je spremenil fotorespiratorni metabolizem. Rastlinam se je povečala koncentracija glioksilata in piruvata, znižala pa se je koncentracija intermediatov serina, za katerega je fotorespiracija glavni vir, in glicerata, kar kaže na spremenjeno nativno fotorespiracijo in pretok skozi alternativno pot [3].

Sprememba fotosinteze

S primerjavo hitrosti asimilacije ogljikovega dioksida pod nasičeno svetlobo so ugotovili, da je prišlo pri transgenih rastlinah tudi do spremembe fotosinteze in povečane koncentracije ogljikovega dioksida v kloroplastu. AP3 linije rastlin z ali brez modula RNAi proti transporterju PLGG1 so povečale stopnjo fotosinteze v primerjavi z rastlinami divjega tipa. Povečanje maksimalne hitrosti asimilacije ogljikovega dioksida encima RuBisCO bi lahko bilo posledica povečane vsebnosti encima ali pa večje razpoložljivosti ogljikovega dioksida. Ker do sprememb pri vsebnosti encima ni prišlo, so prišli do zaključka, da je vzrok za povečanje hitrosti asimilacije povečana razpoložljivosti ogljikovega dioksida na mestu karboksilacije v kloroplastu. Razlog za njegovo povečano dostopnost je bil neposredno sproščanje fotorespiratornega ogljikovega dioksida zaradi dekarboksilacije malata in piruvata v plastidih zaradi uvedbe alternativne poti [3].

Povečana kvantna učinkovitost v ponovljenih poskusih na polju

Pri vseh treh vnesenih alternativnih poteh se je količina biomase pri ponovljenih poskusih na polju povečala, in sicer pri AP1 za 16 %, pri AP2 za 10 % in pri AP3 za 23 %. Pri rastlinah AP3, ki so imele vnesen modul RNAi proti transporterju PLGG1, se je povečala suha biomasa listov na 22 %, stebla na 28 %, skupna biomasa pa na 24 % v primerjavi z divjim tipom rastlin. Povečanje suhe teže biomase listov in celotne rastline v AP3 rastlinah z RNAi podpira hipotezo, da povzroča večji tok glikolata preko alternativnih poti povečano produktivnost rastlin. Povečala se je tudi kvantna učinkovitost neto asimilacije ogljikovega dioksida. Skupna vsebnost škroba sredi dneva v rastlinah AP3 se je povečala za približno 70 %, v AP3 z modulom RNAi proti PLGG1 pa za približno 40 % v primerjavi z rastlinami divjega tipa [3].

Zaključek

Rezultati raziskave so pokazali, da lahko z uvedbo alternativnih poti, ki preprečujejo potratno nativno pot fotorespiracije, povečamo fotosintetsko učinkovitost rastlin. Uvedba različnih alternativnih poti je imela različne učinke. Največja rast je bila pri rastlinah AP3, najmanjša pa pri AP2, pri katerih je bila v nekaterih primerih rast upočasnjena, opažena pa je bila tudi sprememba fenotipa. V večini primerov je bila rast rastlin z vneseno alternativno potjo in odsotnim transporterjem PLGG1 povečana, pri rastlinah AP1 z RNAi proti PLGG1 pa se je učinek povečane rasti izničil. Vzrok za to je bila verjetno kinetična nezadostnost. Poleg višje rasti so imele transgene rastline tudi povečano odpornost na fotorespiratorni stres, spremenjen pa je bil tudi metabolizem. V AP rastlinah so zaznali povečano koncentracijo glioksilata in piruvata ter znižano koncentracijo fotorespiratornih intermediatov serina in glicerata. Prišlo pa je tudi do spremembe fotosinteze in povečane koncentracije ogljikovega dioksida v kloroplastu, ki jo je povzročila dekarboksilacija malata in piruvata pri vneseni alternativni poti.

Literatura

[1] Rey D. K., Mueller N. D., West P. C., Foley J. A. Yield Trends Are Insufficient to Double Global Crop Production by 2050. (2013) PLoS ONE, 8(6): e66428

[2] Rakhmankulova, Z.F. Photorespiration: Its Role in the Productive Process and Evolution of С4 Plants. (2018) Russ J Plant Physiol 65, 303–318

[3] South P.F., Cavanagh A. P., Liu H. W., Ort D. R. Synthetic glycolate metabolism pathways stimulate crop growth and productivity in the field. (2019) Science, 363(6422)

Personal tools