Fotosyntes är den naturliga process som växter och alger använder för att fånga upp solljus och fixera koldioxid till energirika sockerarter som ger tillväxt, utveckling, och när det gäller grödor, avkastning. Alger utvecklade specialiserade koldioxidkoncentreringsmekanismer (CCM) för att fotosyntetisera mycket mer effektivt än växter. Denna vecka, i tidningen Förfaranden från National Academy of Sciences , ett team från Louisiana State University (LSU) och University of York rapporterar ett långvarigt oförklarligt steg i CCM för gröna alger-vilket är nyckeln till att utveckla en funktionell CCM i livsmedelsgrödor för att öka produktiviteten.

"De flesta grödor plågas av fotorespiration, som uppstår när Rubisco – enzymet som driver fotosyntesen – inte kan skilja mellan livsuppehållande koldioxid och syremolekyler som slösar bort stora mängder av växtens energi, "sa James Moroney, Streva Alumni Professor vid LSU och medlem i Realizing Increased Photosynthetic Efficiency (RIPE). "I sista hand, vårt mål är att konstruera en CCM i grödor för att omge Rubisco med mer koldioxid, vilket gör det mer effektivt och mindre sannolikt att ta tag i syremolekyler - ett problem som visar sig förvärras när temperaturen stiger. "

Leds av University of Illinois, RIPE är ett internationellt forskningsprojekt som konstruerar grödor för att bli mer produktiva genom att förbättra fotosyntesen med stöd från Bill &Melinda Gates Foundation, U.S. Foundation for Food and Agriculture Research (FFAR), och den brittiska regeringens avdelning för internationell utveckling (DFID).

Medan koldioxid diffunderar över cellmembran relativt lätt, bikarbonat (HCO3-) diffunderar omkring 50, 000 gånger långsammare på grund av dess negativa laddning. De gröna algerna Chlamydomonas reinhardtii , smeknamnet Chlamy, transporterar bikarbonat över tre cellmembran in i facket som rymmer Rubisco, kallas en pyrenoid, där bikarbonatet omvandlas tillbaka till koldioxid och fixeras till socker.

"Före nu, vi förstod inte hur bikarbonat passerade den tredje tröskeln för att komma in i pyrenoiden, "sade Ananya Mukherjee, som ledde detta arbete som doktorand vid LSU innan han började på University of Nebraska-Lincoln som postdoktor. "I åratal, vi försökte hitta den saknade komponenten, men det visar sig att det finns tre transportproteiner involverade i detta steg - som var den saknade länken i vår förståelse av CCM för Chlamydomonas reinhardtii . "

"Medan andra transportproteiner är kända, vi spekulerar i att dessa skulle kunna delas med grödor lättare eftersom Chlamy är närmare besläktad med växter än andra fotosyntetiska alger, såsom cyanobakterier eller kiselalger, "sade Luke Mackinder, en föreläsare vid York som samarbetade med RIPE-teamet i detta arbete med stöd från Biotechnology and Biological Sciences Research Council (BBSRC) och Leverhulme Trust.

Att skapa en funktionell CCM i grödor kommer att kräva tre saker:ett fack för att lagra Rubisco, transportörer för att ta med bikarbonat till facket, och kolsyraanhydras för att omvandla bikarbonat till koldioxid.

I en studie från 2018, RIPE -kollegor vid Australian National University visade att de kunde lägga till ett fack som kallas karboxysom, som liknar en pyrenoid, i grödor. Nu kompletterar denna studie listan över möjliga transportproteiner som kan transportera bikarbonat från utsidan av cellen till denna karboxysomstruktur i grödornas bladceller.

"Vår forskning tyder på att att skapa en funktionell CCM i grödor kan hjälpa grödor att spara mer vatten och avsevärt kan minska energibeskattningen av fotorespiration i grödor - som förvärras när temperaturen stiger, " sade Moroney. "Utvecklingen av klimattåliga grödor som kan fotosyntetisera mer effektivt kommer att vara avgörande för att skydda vår livsmedelssäkerhet."

Inse ökad fotosyntetisk effektivitet (RIPE) konstruerar basfoder för att effektivare förvandla solens energi till mat för att på ett hållbart sätt öka världsomfattande livsmedelsproduktion, med stöd från Bill &Melinda Gates Foundation, U.S. Foundation for Food and Agriculture Research, och den brittiska regeringens departement för internationell utveckling.