Криобиологические сосуды > Энергия и биотехнология > Интенсификация фотосинтеза методами биотехнологии

Интенсификация фотосинтеза методами биотехнологии


Увеличение выхода биомассы за год в существующих сегодня системах растениеводства может быть достигнуто двумя путя­ми: во-первых, за счет увеличения скорости фотосинтеза до пределов, возможных в оптимальных условиях, во-вторых, путем удлинения периода оптимального фотосинтеза.
Для того чтобы достичь этой цели, необходимо оценить от­носительную важность различных факторов, ограничивающих фотосинтез. Действие этих факторов определяется как внутрен­ними фотобиологическими и физиологическими ограничениями,, так и теми характеристиками окружающей среды, которые ска­зываются на проявлении этих лимитирующих факторов. К чис­лу таких важнейших факторов относятся: индекс урожайности, свет, СO2, вода, температура, питательные вещества, вредители и болезни, влияние кислорода и фотодыхание, темновое дыха­ние, ограничение скорости переноса электронов, содержание ферментов карбоксилирования, светособирающих пигментов, диссипация энергии в побочных реакциях и скорость переноса веществ из хлоропластов.
Действие основных лимитирующих факторов можно осла­бить путем увеличения энергетических затрат при культивиро­вании, но к их числу относятся и неконтролируемые факторы внешней среды. Для получения большого количества биомассы нужны тщательный отбор и выведение сортов растений, способных эффективно использовать благоприятные условия окру­жающей среды при минимальных затратах.
Наибольшие успехи в повышении урожайности сельскохо­зяйственных культур были достигнуты путем улучшения как селекционной работы, так и агротехники. Однако в общем селекция была в основном направлена на увеличение индекса урожайности культур, а не общего количества собираемой био­массы.
Приросты урожайности за счет улучшения агротехники обыч­но связаны с увеличением энергозатрат (в форме горючего для тракторов, удобрений и средств защиты растений, получаемых за счет ископаемого топлива). В результате урожай с единицы площади возрастает, но в пересчете на затраченную энергию падает. Такие изменения приемлемы при выращивании пище­вых культур, но нежелательны для «энергетических», когда не­обходимо получить большой урожай биомассы при малых энергозатратах. Ясно, что эффективные системы производства биомассы потребуют дополнительного вклада энергии. Вели­чину его, а также ожидаемый выигрыш (в смысле увеличения энергопродуктивности) еще предстоит оценить.
Существенное увеличение выхода продукции было достигну­то в ходе отбора растений с листьями оптимальной формы, ри­гидности и расположения, имеющих улучшенный тип кроны и способных эффективнее улавливать свет. В принципе эффектив­ность фотосинтеза можно повысить и путем изменения одного или нескольких составляющих его процессов или факторов;:
1) улавливания света и переноса электронов; 2) усвоения уг­лекислого газа и регуляции реакций основного обмена углеро­да, включающих темновое дыхание и фотодыхание; 3) свойств мембран, особенно структуры липидов и температурной чувст­вительности; 4) .анатомических признаков для увеличения эко­номичности использования CO2 и воды.
Проведя оценку существующих сортов культур как потен­циальных продуцентов биомассы, мы можем улучшать их путем лрименения новых способов разведения, изучения их фотосин­тетических возможностей и размножения растений нетрадици­онными способами. Реализовать эти возможности в будущем ломожет использование технологии рекомбинантных ДНК. Для лродвижения вперед в этой области нам необходимо: 1) разра­ботать методы выявления положительных изменений в фотосин­тезе и приспособить сложные лабораторные тесты для работы в долевых условиях; 2) предложить методы усиления генетиче­ской изменчивости; 3) понять, как организован геном растений и хромосома хлоропласта и как регулируется их работа; 4) вы­явить типы изменений, которые могут быть в них вызваны; 5) разработать новые способы селекции, направленные на уско­рение размножения и генетическую стабилизацию сортов.
Методы усиления генетической изменчивости многообразны: для этой цели используют культуру тканей, слияние протоплас­тов, перенос одиночных генов, гаплоиды, опыление облученной лыльцой, химический мутагенез, замену митохондриальных и хлоропластных геномов и т. д. Направленный перенос распоя даваемых признаков может быть осуществлен методами гене' тической инженерии. Здесь стоят проблемы выбора вектора, включение гена в геном и экспрессии нового признака в усло­виях сложной системы регуляции у растений как на генетиче­ском, так и на метаболическом уровне.
Таким образом, работы по увеличению продуктивности рас­тений, выращиваемых для получения энергии (биомассы), в опытах in vitro будут успешными, если мы: 1) установим ге­нетические пределы продуктивности; 2) выявим индивидуаль­ные гены, ответственные за это свойство (признаки); 3) выде­лим ДНК или РНК, кодирующие эти признаки; 4) встроим их при помощи ферментов рестрикции и лигаз в подходящий век­тор для амплификации в бактериях; 5) введем накопленный та­ким путем материал в вектор, подходящий для его переноса в желаемый вид растений; 6) стабилизируем введенную ДНК в геноме нового хозяина таким образом, чтобы она экспрессиро-валась как доминантный признак, наследуемый по законам Менделя; 7) разработаем методы скрининга для выявления та­ких измененных растений; 8) будем применять альтернативные лодходы, используя для увеличения изменчивости и менее специфичные методы, например мутагенез (химический и радиа­ционный) при работе с культурами тканей и протопластов или естественную изменчивость, с отбором форм с более эффектив­ным фотосинтезом.
Хотя сведения о ядерном геноме и пластоме хлоропластов, а также о механизмах регуляции работы генов при синтезе бел­ков в хлоропластах и других частях клеток накапливаются очень быстро, воплощение генно-инженерных возможностей в практику — дело будущего, отстоящего на десятилетия, Отме­тим также, что для решения проблемы продуктивности особое внимание уделяется сегодня развитию фундаментальной фото­биологии. Предполагается, что в будущем эти знания вопло­тятся в практику. Пока этого не произошло, производство топ­лива из биомассы должно опираться на обычное сельское и лесное хозяйство.