Oamenii de știință au dezvoltat o tehnică de editare a genomului cloroplastului care îmbunătățește semnificativ fotosinteza și creșterea plantelor prin introducerea unor modificări precise la enzima Rubisco, care este o proteină cheie, dar relativ ineficientă, implicată în fixarea carbonului din plante. Cercetarea, publicată înComunicarea naturii, a demonstrat că modificările direcționate au crescut performanța fotosintetică, producția de biomasă și eficiența utilizării-a apei în instalația modelArabidopsis thaliana. Aceste constatări evidențiazăo cale potențială pentru dezvoltarea unor culturi mai productive în condițiile climatice viitoare.
Folosind tehnologia de editare-bază de cloroplast, cercetătorii au introdus substituții unice de aminoacizi în subunitatea mare Rubisco, fără a încorpora ADN străin în genomul plantei. Două mutații specifice, M309I și D397N, au îmbunătățit activitatea catalitică a enzimelor, permițând plantelor să asimileze mai mult carbon atât în concentrațiile ridicate de dioxid de carbon din atmosferă actuale, cât și proiectate. Plantele editate au prezentat dimensiuni crescute ale lăstarilor și rădăcinii, suprafață extinsă a frunzelor și producții mai mari de semințe, menținând în același timp conținutul normal de Rubisco și clorofilă.
Aceste descoperiri abordează o provocare de lungă durată în biotehnologia plantelor. Deși Rubisco este esențial pentru fotosinteză, rata sa catalitică relativ lentă a limitat productivitatea culturilor de zeci de ani. Încercările anterioare de reproiectare sau înlocuire a enzimei au perturbat adesea asamblarea acesteia sau au redus creșterea plantelor. În schimb, acest studiu demonstrează că modificările mici, direcționate, ale genei Rubisco existente pot îmbunătăți performanța acesteia, păstrând în același timp dezvoltarea normală a plantelor.
Cercetătorii au observat, de asemenea, că plantele modificate au obținut o eficiență intrinsecă mai mare de utilizare a apei-, deoarece fotosinteza a crescut fără a necesita o deschidere mai mare a stomatului. Crio-microscopia electronică a arătat că mutațiile au modificat flexibilitatea regiunilor din jurul site-ului activ al Rubisco, oferind noi perspective asupra modului în care modificările structurale subtile pot îmbunătăți funcția enzimelor.
Autorii studiului notează că pozițiile vizate de aminoacizi sunt foarte conservate în multe culturi agricole, ceea ce indică faptul că această abordare ar putea fi aplicabilă pe scară largă dincolo deArabidopsis. Pe măsură ce concentrațiile de CO₂ atmosferice continuă să crească, variantele Rubisco cu rate catalitice mai rapide pot permite culturilor să mențină productivitatea în timp ce folosesc apa mai eficient în condiții de creștere din ce în ce mai dificile.
Deoarece procesul de editare a cloroplastelor nu lasă ADN străin în plantele finale după înmulțire, cercetătorii sugerează că această tehnologie ar putea ocoli anumite bariere de reglementare asociate cu culturile convenționale modificate genetic în țările care recunosc plantele fără-gene editate, fără transgene, în cadrul unor cadre emergente non-OMG.
