A tudósok kifejlesztettek egy kloroplasztisz genom szerkesztési technikát, amely jelentősen javítja a fotoszintézist és a növények növekedését azáltal, hogy pontos változtatásokat vezet be a Rubisco enzimben, amely kulcsfontosságú, de viszonylag nem hatékony fehérje a növényi szénmegkötésben. A kutatás, amely ben jelent megNature Communications, bebizonyította, hogy a célzott szerkesztések növelték a fotoszintetikus teljesítményt, a biomassza-termelést és a víz{0}}felhasználási hatékonyságot a modellüzembenArabidopsis thaliana. Ezek a megállapítások kiemelikegy lehetséges út a termékenyebb növények kifejlesztéséhez a jövő éghajlati viszonyai között.
A kloroplasztbázis{0}}szerkesztési technológiát alkalmazva a kutatók egyetlen aminosav szubsztitúciót vezettek be a Rubisco nagy alegységébe anélkül, hogy idegen DNS-t építettek volna be a növény genomjába. Két specifikus mutáció, az M309I és a D397N, fokozta az enzim katalitikus aktivitását, lehetővé téve a növények számára, hogy több szenet asszimiláljanak mind a jelenlegi, mind az előre jelzett emelkedett légköri szén-dioxid-koncentráció mellett. A szerkesztett növények megnövekedett hajtás- és gyökérméretet, kiterjedt levélfelületet és magasabb magtermést mutattak, miközben a normál Rubisco- és klorofilltartalom megmaradt.
Ezek az eredmények a növényi biotechnológia régóta fennálló kihívására adnak választ. Bár a Rubisco központi szerepet játszik a fotoszintézisben, viszonylag lassú katalitikus sebessége évtizedekre korlátozza a terméshozamot. Az enzim újratervezésére vagy cseréjére tett korábbi kísérletek gyakran megzavarták az összeszerelést vagy csökkentették a növények növekedését. Ezzel szemben ez a tanulmány azt bizonyítja, hogy a meglévő Rubisco gén kis, célzott módosításai javíthatják annak teljesítményét, miközben megőrzik a normál növényi fejlődést.
A kutatók azt is megfigyelték, hogy a módosított növények magasabb belső vízfelhasználási{0}}hatékonyságot értek el, mivel a fotoszintézis megnövekedett anélkül, hogy nagyobb sztómanyitásra lett volna szükség. A krio-elektronmikroszkópos vizsgálat kimutatta, hogy a mutációk megváltoztatták a Rubisco aktív helyét körülvevő régiók rugalmasságát, új betekintést nyújtva abba, hogy a finom szerkezeti változások hogyan javíthatják az enzimműködést.
A tanulmány szerzői megjegyzik, hogy a megcélzott aminosav-pozíciók nagymértékben konzerváltak számos mezőgazdasági haszonnövényen, ami azt jelzi, hogy ez a megközelítés széles körben alkalmazható lehet azokon túl is.Arabidopsis. Ahogy a légköri CO₂-koncentráció tovább növekszik, a gyorsabb katalitikus sebességű Rubisco-változatok lehetővé tehetik a növények termelékenységének fenntartását, miközben hatékonyabban használják fel a vizet az egyre nagyobb kihívást jelentő termesztési körülmények között.
Mivel a kloroplasztok szerkesztési folyamata nem hagy idegen DNS-t a nemesítés után a végső növényekben, a kutatók azt sugallják, hogy ez a technológia megkerülhet bizonyos szabályozási akadályokat, amelyek a hagyományos genetikailag módosított haszonnövényekkel kapcsolatosak azokban az országokban, amelyek felismerik a gén{0}}szerkesztett, transzgén-mentes növényeket a feltörekvő, nem-GMO keretek között.
