Gli scienziati patch glitch di fotosintesi per far crescere le piante del 40 percento più grande

di Ryan Whitwam

Tutto quell'ossigeno che ti piace respirare non appare magicamente nell'atmosfera. La terra è vivibile perché le piante di tutto il mondo pompano ossigeno come sottoprodotto della fotosintesi e alcune di esse diventano anche gustose colture alimentari. Tuttavia, la fotosintesi non è perfetta nonostante molti eoni di raffinatezza evolutiva. Gli scienziati dell'Università dell'Illinois hanno lavorato per correggere un difetto nella fotosintesi, e ciò potrebbe migliorare i raccolti fino al 40 percento.

Al centro della nuova ricerca c'è un processo nelle piante chiamato fotorespirazione, che non fa tanto parte della fotosintesi quanto ne è una conseguenza. Come molti processi biologici, la fotosintesi non funziona correttamente il 100 percento delle volte. In effetti, una delle principali reazioni nella fotosintesi è efficace solo per circa il 75%. Il cambiamento arriva nel processo che le piante intraprendono a causa di tale inefficienza.

Nella fotosintesi, le piante prendono acqua e anidride carbonica e la processano per creare zuccheri (cibo) e ossigeno. Le piante non hanno bisogno dell'ossigeno, quindi viene espulso. Fortunatamente, abbiamo bisogno di ossigeno ed espiriamo anidride carbonica.

Il problema affrontato nel nuovo studio è con un enzima chiamato ribulosio-1,5-bisfosfato carbossilasi-ossigenasi (RuBisCO). Questo complesso proteico attacca una molecola di anidride carbonica al ribulosio-1,5-bisfosfato (RuBP). Nel corso dei secoli, l'atmosfera terrestre è diventata più ossigenata e ciò significa che RuBisCO deve far fronte a più molecole di ossigeno miscelate con anidride carbonica. Circa un quarto del tempo, RuBisCO afferra una molecola di ossigeno per errore e ciò ha conseguenze all'interno di una pianta.

Gli scienziati Don Ort (a destra), Paul South (al centro) e Amanda Cavanagh (a sinistra) studiano quanto bene le loro piante modificate per bypassare la fotorespirazione si comportano accanto alle piante non modificate in condizioni reali.

Quando RuBisCO si rovina, le piante vengono lasciate con sottoprodotti tossici come glicolato e ammoniaca. Ci vuole energia per elaborare questi composti (attraverso la fotorespirazione), che viene aggiunto alla perdita di energia dovuta all'inefficienza della fotosintesi. Gli autori dello studio osservano che riso, grano e soia soffrono tutti di questo problema tecnico e RuBisCO diventa ancora meno preciso all'aumentare della temperatura. Ciò significa che le forniture alimentari potrebbero diminuire man mano che il riscaldamento globale diventa più grave.

La correzione fa parte di un programma chiamato Realizing Enhanced Photosynthetic Efficiency (RIPE) e si basa sull'introduzione di nuovi geni che migliorano la crescita. Di solito, la fotorespirazione prende un percorso tortuoso e complesso attraverso tre diversi organelli cellulari. Consuma ATP (la valuta energetica delle cellule) che dovrebbe rendere la pianta più grande e più forte. RIPE si concentra sul rendere la fotorespirazione più rapida e più efficiente dal punto di vista energetico.

Il team ha sviluppato tre percorsi alternativi usando nuove sequenze genetiche. Hanno ottimizzato questi percorsi attraverso 1.700 diversi impianti per identificare i migliori approcci. Nel corso di due anni, i ricercatori hanno testato le sequenze usando piante di tabacco modificate. È una pianta comune nella scienza perché il suo genoma è eccezionalmente ben compreso.

Quelle piante producevano circa il 40 percento in più di biomassa rispetto alle piante non modificate. Ciò indica che i percorsi di fotorespirazione più efficienti risparmiano alla pianta una notevole energia che può invece andare verso la crescita. Il prossimo passo è incorporare i geni nelle colture alimentari come soia, cowpea, riso e pomodori.

Potrebbero essere necessari diversi anni per integrare i geni fotorespirati rivisti nelle colture alimentari, che sono più complicate del tabacco. Le piante risultanti dovrebbero quindi essere approvate per il consumo umano dai regolatori - non è un'impresa facile da sola, e c'è una frequente opposizione anti-scientifica alle colture geneticamente modificate. RISE è supportato da organizzazioni non profit in tutto il mondo, inclusa la Bill & Melinda Gates Foundation. Qualsiasi seme sviluppato sotto RISE sarà disponibile gratuitamente.

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Originariamente pubblicato su www.extremetech.com il 7 gennaio 2019.