生物工程更好的光合作用提高粮食作物产量

第一次成熟基因生物工程的研究人员证明,光合作用增加了产量的主要粮食作物大豆田间试验。经过十多年的努力这一目标,一个协作的团队领导的伊利诺伊大学transgenically改变大豆植物光合作用的效率增加,导致更大的收益而不损失画质。

结果大小更关键的时候不能来。最近的联合国报告,的状态在2022年世界粮食安全和营养在2021年发现,近10%的世界人口是饥饿,这种情况不断恶化在过去的几年里,超过其他所有规模全球卫生威胁。据联合国儿童基金会说,到2030年,预计将有超过6.6亿人面临粮食短缺和营养不良。的两个主要原因是低效的食品供应链(食物)和由于气候变化对作物生长条件苛刻。改善食品和改善贫困地区的可持续性粮食作物的是这项研究的主要目标和成熟的项目。

实现提高光合效率,或成熟,是一个国际研究项目,旨在提高光合效率提高全球粮食产量的粮食作物小农在撒哈拉以南非洲的支持比尔和梅林达•盖茨基金会,食品与农业研究的基础,和英国外国,英联邦&发展办公室。

“受食物不足的人数持续增长,和预测显然表明需要改变在食品供应层面改变轨迹,”De Souza说阿曼达,成熟的项目研究科学家和作者。“我们的研究显示了一个有效的方法来促进粮食安全为最需要的人,同时避免更多的土地被投入生产。提高光合作用是一个重要的机会来获得所需的产量潜力。”

植物利用光合作用,自然过程都将阳光转化为能量和收益率,是出奇的低效率的100 +的一步成熟过程,研究人员一直在努力改善了十多年。在这首开先河的工作,最近发表在科学,改善了VPZ构造在大豆植物提高光合作用,然后进行田间试验产量是否会改善。

VPZ构造包含三个基因编码蛋白的叶黄素循环,这是一种色素循环,有助于植物的光。一旦在充足的阳光下,这个循环被激活的叶子保护他们免受伤害,让多余的能量消散叶子。然而,当树叶阴影(由其他叶子,云,或太阳在天空中移动)这个光需要关掉所以树叶可以继续光合作用过程与储备的阳光。需要几分钟关掉的植物保护机制,植物花费宝贵的时间,用于光合作用。

VPZ构造的三个基因的超表达加速这个过程,所以每次一片叶子从光,影光开关速度。叶光合作用获得额外分钟,当加起来在整个生长季节,增加总光合速率。这项研究表明,尽管实现产量增加超过20%,种子质量没有影响。

“尽管更高的收益率,种子蛋白质含量没有改变。这表明一些额外的能量获得改善光合作用很可能转移到植物的固氮细菌的结节,“成熟的导演史蒂芬长说,伊肯伯里赋予大学主席作物科学和植物生物学在伊利诺斯州的卡尔·r·伍斯基因组生物学研究所。

研究人员首先测试他们的想法在烟草植物由于易于改变农作物的基因和种子的数量,可以从一个工厂生产。这些因素使研究人员从遗传转化到田间试验的几个月内。一旦概念证明烟草,他们搬到更复杂的任务将遗传学粮食作物,大豆。

“现在显示非常巨大的产量增加烟草和大豆,两种截然不同的作物,表明这种具有普遍适用性,“长说。“我们的研究显示,实现产量改进强烈受到环境的影响。,确定这个结果的可重复性至关重要在环境和进一步改善,确保环境稳定的收益。”

额外的实地测试这些转基因大豆植物今年正在进行,结果预计在2023年初。

“这项工作的重大影响是为显示我们可以打开道路生物光合作用和主要农作物提高产量增加粮食生产,”De Souza说。“这是确认的开始成熟的项目是一个成功的想法根深蒂固的提高主要粮食作物的产量。”

成熟的项目及其赞助商致力于确保全球访问并使项目的技术提供给农民最需要它,专注于撒哈拉以南的非洲地区,大豆产量增长最快的地区之一。根据大豆创新实验室,高蛋白英亩种植粮食作物已经增长,和国内需求。

“这是一个超过四分之一世纪的道路对我个人来说,“长说。”开始的第一个理论作物光合作用效率的理论分析,仿真的完整过程,高性能计算,其次是优化应用程序显示过程中的几个瓶颈在我们的作物。资金支持在过去的十年里已经允许我们工程师减轻这些表示瓶颈和测试产品领域的规模。经过多年的试验和磨难,是非常有益的这样一个壮观的结果对球队。”

参考:De Souza美联社,博格斯SJ,多兰L, et al .大豆光合作用和作物产量提高了从光加速复苏。科学。2022,377 (6608):851 - 854。doi:10.1126 / science.adc9831。

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