นักวิทยาศาสตร์วิศวกรทางลัดสำหรับข้อผิดพลาดในการสังเคราะห์แสง เพิ่มการเจริญเติบโตของพืชผล 40%

"เราสามารถเลี้ยงคนเพิ่มขึ้นได้ถึง 200 ล้านคนด้วยแคลอรี่ที่สูญเสียไปจากการหายใจด้วยแสงในแถบมิดเวสต์ของสหรัฐฯ ในแต่ละปี" โดนัลด์ ออร์ต นักวิจัยหลัก ศาสตราจารย์ Robert Emerson สาขาพืชศาสตร์และพืชศาสตร์แห่งสถาบัน Carl R. Woese Institute for Genomic ในรัฐอิลลินอยส์กล่าว ชีววิทยา. "การเรียกคืนแคลอรี่แม้เพียงบางส่วนจากทั่วโลกจะช่วยตอบสนองความต้องการด้านอาหารที่ขยายตัวอย่างรวดเร็วในศตวรรษที่ 21 ซึ่งได้แรงหนุนจากการเติบโตของประชากรและอาหารที่มีแคลอรีสูงที่มั่งคั่งมากขึ้น" การศึกษาที่สำคัญนี้เป็นส่วนหนึ่งของการตระหนักถึงประสิทธิภาพการสังเคราะห์แสงที่เพิ่มขึ้น (RIPE) ซึ่งเป็นโครงการวิจัยระดับนานาชาติที่วิศวกรรมพืชเพื่อสังเคราะห์แสงอย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นเพื่อเพิ่มผลผลิตอาหารทั่วโลกอย่างยั่งยืน โดยได้รับการสนับสนุนจากมูลนิธิ Bill & Melinda Gates Foundation for Food and Agriculture Research ( FFAR) และกระทรวงการพัฒนาระหว่างประเทศของรัฐบาลสหราชอาณาจักร (DFID) การสังเคราะห์ด้วยแสงใช้เอนไซม์ Rubisco ซึ่งเป็นโปรตีนที่มีมากที่สุดในโลก และพลังงานแสงแดดเพื่อเปลี่ยนคาร์บอนไดออกไซด์และน้ำให้เป็นน้ำตาลที่กระตุ้นการเจริญเติบโตและผลผลิตของพืช กว่าพันปี Rubisco ได้กลายเป็นเหยื่อของความสำเร็จของตนเอง โดยสร้างบรรยากาศที่อุดมด้วยออกซิเจน ไม่สามารถแยกความแตกต่างระหว่างโมเลกุลทั้งสองได้อย่างน่าเชื่อถือ Rubisco คว้าออกซิเจนแทนคาร์บอนไดออกไซด์ประมาณ 20 เปอร์เซ็นต์ของเวลาทั้งหมด ส่งผลให้เกิดสารประกอบที่เป็นพิษต่อพืชซึ่งต้องนำกลับมาใช้ใหม่ผ่านกระบวนการหายใจด้วยแสง "การหายใจด้วยแสงคือการต่อต้านการสังเคราะห์ด้วยแสง" พอล เซาธ์ ผู้เขียนนำ นักชีววิทยาระดับโมเลกุลของสำนักงานบริการวิจัยการเกษตร ซึ่งทำงานในโครงการ RIPE ที่รัฐอิลลินอยส์กล่าว "พืชต้องสูญเสียพลังงานและทรัพยากรอันมีค่าที่พืชสามารถลงทุนไปกับการสังเคราะห์แสงเพื่อสร้างการเติบโตและผลผลิตที่มากขึ้น" โดยปกติการหายใจด้วยแสงจะใช้เส้นทางที่ซับซ้อนผ่านสามช่องในเซลล์พืช นักวิทยาศาสตร์ได้ออกแบบเส้นทางสำรองเพื่อเปลี่ยนเส้นทางกระบวนการ ทำให้การเดินทางสั้นลงอย่างมากและประหยัดทรัพยากรได้มากพอที่จะกระตุ้นการเจริญเติบโตของพืชได้ถึง 40 เปอร์เซ็นต์ นี่เป็นครั้งแรกที่มีการทดสอบระบบหายใจด้วยแสงเชิงวิศวกรรมในสภาวะทางพืชไร่ในโลกแห่งความจริง Stephen Long ผู้อำนวยการ RIPE จาก Ikenberry Endowed กล่าวว่าวิศวกร "เช่นเดียวกับคลองปานามาที่เป็นผลงานทางวิศวกรรมที่เพิ่มประสิทธิภาพการค้า ทางลัดระบบทางเดินหายใจด้วยแสงเหล่านี้เป็นผลงานทางวิศวกรรมโรงงานที่พิสูจน์ให้เห็นถึงวิธีพิเศษในการเพิ่มประสิทธิภาพการสังเคราะห์แสงอย่างมาก" ประธานมหาวิทยาลัยพืชศาสตร์และชีววิทยาพืชที่รัฐอิลลินอยส์ ทีมงานได้ออกแบบเส้นทางสำรองสามเส้นทางเพื่อแทนที่เส้นทางดั้งเดิมที่วนเป็นวงจร เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพเส้นทางใหม่ พวกเขาออกแบบโครงสร้างทางพันธุกรรมโดยใช้ชุดโปรโมเตอร์และยีนที่แตกต่างกัน โดยพื้นฐานแล้วเป็นการสร้างชุดของแผนงานที่ไม่เหมือนใคร พวกเขาเน้นย้ำว่าได้ทดสอบแผนงานเหล่านี้ในโรงงาน 1,700 แห่งเพื่อคัดเลือกโรงงานที่มีประสิทธิภาพสูงสุด กว่าสองปีของการศึกษาภาคสนามซ้ำ พวกเขาพบว่าพืชเชิงวิศวกรรมเหล่านี้พัฒนาเร็วขึ้น เติบโตสูงขึ้น และผลิตมวลชีวภาพเพิ่มขึ้นประมาณ 40 เปอร์เซ็นต์ ซึ่งส่วนใหญ่พบในลำต้นที่ใหญ่ขึ้น 50 เปอร์เซ็นต์ ทีมงานได้ทดสอบสมมติฐานของพวกเขาในยาสูบ: พืชต้นแบบที่เหมาะสำหรับการวิจัยพืชผล เนื่องจากสามารถปรับเปลี่ยนและทดสอบได้ง่ายกว่าพืชอาหาร แต่แตกต่างจากพืชต้นแบบอื่นๆ โดยพัฒนาหลังคาใบและสามารถทดสอบในภาคสนามได้ ขณะนี้ ทีมงานกำลังแปลผลการค้นพบนี้เพื่อเพิ่มผลผลิตของถั่วเหลือง ถั่วพุ่ม ข้าว มันฝรั่ง มะเขือเทศ และมะเขือม่วง Amanda Cavanagh นักวิจัยหลังปริญญาเอกของรัฐอิลลินอยส์ที่ทำงานในโครงการ RIPE กล่าวว่า "Rubisco มีปัญหามากขึ้นในการดึงเอาก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ออกจากออกซิเจนเมื่อร้อนขึ้น ทำให้เกิดการหายใจด้วยแสงมากขึ้น" "เป้าหมายของเราคือการสร้างโรงงานที่ดีขึ้นซึ่งสามารถรับความร้อนได้ทั้งในปัจจุบันและอนาคต เพื่อช่วยให้เกษตรกรได้รับเทคโนโลยีที่จำเป็นในการเลี้ยงโลก" แม้ว่าอาจต้องใช้เวลามากกว่าทศวรรษกว่าที่เทคโนโลยีนี้จะถูกแปลงเป็นพืชอาหารและได้รับการอนุมัติตามกฎระเบียบ RIPE และผู้สนับสนุนมุ่งมั่นที่จะสร้างหลักประกันว่าเกษตรกรรายย่อย โดยเฉพาะอย่างยิ่งในแอฟริกาตอนใต้ของทะเลทรายซาฮาราและเอเชียตะวันออกเฉียงใต้จะปลอดค่าลิขสิทธิ์ เข้าถึงความก้าวหน้าทั้งหมดของโครงการ