Nyt hornblad-protein kan forbedre fotosyntese i afgrøder

Et internationalt hold af forskere har identificeret en overraskende molekylær strategi hos en sjælden gruppe af landplanter, der kan ændre fremtidens landbrug. I en omfattende undersøgelse publiceret i tidsskriftet Science i 2024, beskriver forskerne fra blandt andet Boyce Thompson Institute og Cornell University en metode til at optimere planternes energiproduktion. Opdagelsen har potentiale til at hjælpe videnskabsfolk med at redesigne vigtige globale afgrøder som hvede og ris. Målet er at gøre disse planter i stand til at omdanne sollys til mad langt mere effektivt, end de gør i dag.

Forskningen adresserer en massiv begrænsning i det moderne landbrug, som involverer enzymet Rubisco, der indfanger kuldioxid fra luften under fotosyntesen. Rubisco spiller en helt central rolle for livet på jorden, men enzymet har en betydelig indbygget biologisk svaghed. Det arbejder langsomt og kan nemt interagere med ilt i stedet for kuldioxid, hvilket spilder plantens energi og reducerer dens væksteffektivitet markant. “Rubisco is arguably the most important enzyme on the planet because it’s the entry point for nearly all carbon in the food we eat,” udtaler Fay-Wei Li.

Om de aktuelle udfordringer tilføjer forskeren: “But it’s slow and easily distracted by oxygen, which wastes energy and limits how efficiently plants can grow.” Gennem evolutionens forløb har visse organismer heldigvis udviklet alternative metoder til at overvinde denne naturlige biologiske ineffektivitet. Mange typer af alger placerer for eksempel Rubisco inde i små strukturer i deres celler kaldet pyrenoider. Disse mikroskopiske rum fungerer ved at koncentrere kuldioxid direkte omkring enzymet, hvilket tillader det at operere langt hurtigere.

Man kan betragte disse pyrenoider som specialiserede drivhuse, der udelukkende lukker de nødvendige råstoffer ind, så produktionen kan køre på højtryk uden forstyrrelser udefra. Forskere har længe håbet på at kunne introducere et lignende kulstofkoncentrerende system i almindelige fødevareafgrøder, som ikke naturligt besidder disse strukturer. Det har dog vist sig at være ekstremt vanskeligt at overføre det komplekse maskineri fra alger til landplanter. Et afgørende gennembrud opstod imidlertid, da videnskabsfolkene begyndte at undersøge hornblad, som er de eneste landplanter, der vides at indeholde lignende mikroskopiske rum.

Fordi hornblad deler et tættere evolutionært slægtskab med moderne afgrøder, end alger gør, mistænkte forskerne, at molekylerne ville være lettere at overføre. Resultaterne af undersøgelserne viste sig at være markant anderledes og langt mere simple, end forskerholdet oprindeligt havde forventet. “We assumed hornworts would use something similar to what algae use — a separate protein that gathers Rubisco together,” forklarer forskeren Tanner Robison. Han forklarer i forlængelse heraf selve opdagelsen således: “Instead, we discovered they’ve modified Rubisco itself to do the job.”

Nøgleelementet i denne modifikation er en usædvanlig proteinkomponent, som forskergruppen har navngivet RbcS-STAR. Selve Rubisco-enzymet er biologisk opbygget af både store og små proteindele, og i hornblad inkluderer en version af den lille komponent et ekstra segment kaldet STAR-regionen. Denne ekstra biologiske hale opfører sig rent funktionelt som molekylært velcro inde i plantecellen. Den får Rubisco-proteinerne til at klistre sig sammen og danne tæt koncentrerede klyngestrukturer, der optimerer den samlede fotosyntetiske proces.

For at afgøre om STAR-mekanismen kunne fungere i andre plantetyper, udførte forskerne en række stringente laboratorieforsøg. De introducerede først RbcS-STAR-komponenten i en nært beslægtet hornbladart, som ikke naturligt danner pyrenoider, hvilket fik enzymerne til at samle sig som forventet. Derefter testede videnskabsfolkene samme koncept i Arabidopsis, der er en meget udbredt modelplante i biologisk grundforskning. Også her samlede Rubisco-enzymerne sig i tætte rum inde i plantens grønkorn.

“We even tried attaching just the STAR tail to Arabidopsis’s native Rubisco, and it triggered the same clustering effect,” udtaler professor Alistair McCormick fra University of Edinburgh. Dette demonstrerer med al tydelighed, at genetisk modificerede overførsler kan fungere gnidningsfrit mellem forskellige plantearter i praksis. Fordi den modulære velcro-effekt effektivt samler enzymer på tværs af ubeslægtede plantearter, kan man logisk deducere, at mekanismen med stor sandsynlighed kan integreres i stort set alle kendte landbrugsafgrøder. Yderligere videnskabelige indsigter kan udforskes hos Boyce Thompson Institute, som faciliterede den molekylære forskning.

Selvom dette modulære værktøj fungerer på tværs af forskellige plantearter, understreger forskerne, at der stadig kræves en betydelig mængde arbejde. Ud over at samle Rubisco-enzymerne skal planterne også gøres i stand til effektivt at levere kuldioxid direkte til de nye koncentrerede strukturer. “We have built a Rubisco house, but it won’t be an efficient house unless we update the HVAC,” advarer adjunkt Laura Gunn. Forskerholdet er nu i fuld gang med at planlægge næste fase af projektet, hvor de forsøger at løse netop denne biologiske ventilationsudfordring.

Opdagelsen repræsenterer et afgørende videnskabeligt fremskridt i det igangværende arbejde med at forbedre effektiviteten af fotosyntese i en global skala. Selv en marginal forøgelse af den fotosyntetiske effektivitet vil kunne hæve afgrødeudbyttet drastisk og samtidig reducere landbrugets samlede miljøpåvirkning betragteligt. Dette langsigtede mål bliver stadig mere presserende i takt med, at den globale befolkningstilvækst kræver mere bæredygtige metoder til fødevareproduktion på planeten. Projektlederen Fay-Wei Li understreger i den afsluttende rapport: “This research shows that nature has already tested solutions we can learn from.”

Ofte stillede spørgsmål

Hvad er den optimale pH-værdi for at dyrke tomater i et drivhus?Den optimale pH-værdi for tomatplanter ligger typisk mellem 6,0 og 6,8, da dette spænd sikrer den bedste optagelse af nødvendige næringsstoffer fra jorden.

Hvor ofte bør man vande en indendørs stuebirk om vinteren?En stuebirk bør vandes cirka hver 10. til 14. dag om vinteren, da plantens vækst dæmpes i de mørke måneder, hvilket reducerer dens vandbehov betragteligt.

Hvilke gødningstyper fungerer bedst til at fremme blomstring hos orkideer?En flydende orkidegødning med et højt indhold af fosfor og kalium anbefales, og den bør ideelt set påføres i en stærkt fortyndet blanding ved hver anden vanding.