För att föda världen, förbättra fotosyntesen

WITTEN SABBATINI

Inuti ett ljumment växthus i centrala Illinois såddar ett bullrigt men fokuserat par forskare experimentväxter. Forskarna fuktar jorden och packar den i krukor och tippar sedan försiktigt ut små mörkbruna tobaksfrön ur glasflaskor. Under månaderna som följer kommer forskarna att flytta växterna ut på ett fält och se om de växer större eller snabbare än vanligt - ett avgörande steg mot att föda världen 2050.

Dessa tobaksplantor har konstruerats på en mer grundläggande nivå än typiska biotekniska grödor. Man har mixtrat med sättet de utför fotosyntesen så att de omvandlar solljus och koldioxid mer effektivt till kolhydrater. Om forskare gör det i livsmedelsgrödor kan varje given tomt producera mer mat, eller producera samma mängd mat med mindre vatten och gödningsmedel.

Den här historien var en del av vårt septembernummer 2017

• Se resten av frågan
• Prenumerera

Behovet är akut. För att föda en växande befolkning, projekterar FN, måste den globala jordbruksavkastningen öka med 50 procent mellan nu och 2050. Och det ambitiösa målet tar inte hänsyn till effekterna av klimatförändringarna. Växter trivs med koldioxid, men mycket varma dagar hämmar skördarna. I många delar av världen kommer de stigande temperaturerna och ökade torkan orsakade av klimatförändringarna att vara förödande. Och de negativa effekterna kommer att ha störst inverkan på de fattiga, säger Steve Long, chef för projektet Realizing Increased Photosynthetic Efficiency (RIPE), ett internationellt konsortium baserat vid University of Illinois i Urbana-Champaign.

RIPE-projektet, finansierat av Bill och Melinda Gates Foundation, börjar med tobak eftersom det är relativt lätt att genmanipulera. Men RIPE:s verkliga mål är att förbättra avkastningen av matgrödor som kassava och cowpeas, som är viktiga källor till kalorier och protein i många fattiga länder. Och det arbetar med mycket mer ambitiösa förändringar av växternas ämnesomsättning än vad som har gjorts tidigare.

Agronomer har ännu inte drivit fotosyntesen till dess gränser. Det är trots det faktum att denna 160-stegs biokemiska process är mycket väl studerad och förvånansvärt ineffektiv - växter omvandlar mindre än 5 procent av energin i solljus till biomassa. En ännu mindre del av det investeras i de delar av växter som folk gillar att äta: frön, knölar, bönor. Modernt jordbruk har förbättrat avkastningen oerhört tack vare gödningsmedel, bekämpningsmedel och traditionell förädling. Nu är vinster svårare att få. Det är därför RIPE-gruppen riktar in sig på ineffektivitet i växternas metabolism. (Andra forskare försöker varianter på samma idé; se 10 Breakthrough Technologies 2015: Supercharged Photosynthesis.)

Relaterad berättelse

Relaterad berättelse

Förra året visade RIPE-forskare för första gången att det var möjligt att förbättra skörden på fältet genom teknisk fotosyntes. Genom att öka uttrycksnivåerna för tre gener som är involverade i bearbetning av ljus, förbättrade de tobaksavkastningen med 20 procent.

Nu försöker RIPE-teamet använda samma gentekniska trick för att öka avkastningen i mer motsträviga matgrödor. Att få det att hända i kassava faller delvis på Amanda De Souza, en postdoc från Brasilien.

Genteknik för fotosyntes i kassava är en delikat och långdragen process. De Souza öppnar en petriskål för att visa upp maniokembryon, ljusgula klasar som är ungefär en millimeter breda. Hon odlar dem med hjälp av vävnad som plockats från en knopp på en fullvuxen kassavaväxt. Detta kluster av celler, kallat kallus, kan infekteras med bakterier som bär ljusbearbetningsgener. Endast ett fåtal celler kommer faktiskt att ta upp generna. De som gör det kommer sedan att utsättas för en hormoncocktail som driver dem att växa en stam och rötter.

I kassava tar denna genetiska transformation åtta till 10 månader – det vill säga om allt går bra. Andra viktiga livsmedelsgrödor, inklusive ris och cowpeas, är lite snabbare.

Nere i korridoren öppnar De Souza ett garderobsliknande rum översvämmat med konstgjort solljus. På hyllorna växer unga kassavaväxter i plastburkar, deras rötter omgivna av en näringsgel som ska plockas bort för hand innan plantorna kan gå ner i jorden.

RIPEs experimentfält ligger 10 minuters bilresa från labben. I denna del av landet odlar gårdar mestadels sojabönor och majs. Det faller på David Drag, RIPEs fältförsökschef, att ta reda på hur centrala Illinois jord kan vårda grödor som kassava och ris. För ett projekt hjälpte en samarbetspartner honom att bygga en rismark. Men 2015, minns han bedrövligt, såg han ett av RIPEs nyckelprojekt drunkna i en kraftig regnstorm under sensäsongen, trots lagets ansträngningar att gräva diken och dammar. Ett års arbete gick förlorat – en ödmjuk påminnelse om att även den mest avancerade jordbruksvetenskapen fortfarande är utlämnad till naturens nåd.

De konstruerade tobaksväxterna i detta växthus är ihopkopplade med påsar för att samla upp fröna de tappar, för användning i framtida tester.

Vänster: Den här roboten manövrerar sig själv genom fält för att mäta biomassa och andra aspekter av växttillväxt.
Höger: Denna apparat, fastklämd på ett tobaksblad, undersöker växtens ämnesomsättning. Den mäter temperatur och luftfuktighet vid bladets yta och suger in syre och andra gaser som släpps ut av bladet till en kemisk analysator.

Dessa unga kassavaväxter har blivit genetiskt modifierade för att bearbeta solljus mer effektivt.

Till vänster: En del av grundforskningen om fotosyntesens molekylära biologi görs i alger i petriskålar. Till höger: En karta över klorofyll i en växt, gjord av en fluorescensbildare.

Vänster: En fluorescenskamera exponerar växter för blixtar av starkt ljus för att mäta hur snabbt de reagerar på ändrade ljusnivåer.
Höger: En vy inuti fluorescensbildaren.

Dessa experiment har hjälpt till att fastställa att tobaksplantor ger högre avkastning om de snabbare kan stänga av produktionen av ett molekylärt solskydd när ljusnivåerna sjunker. Växter som presterar bra i dessa experiment går vidare till fältförsök.

Dölj