Найден способ удвоения продуктивности злаков

15.11.07

Исследователи из Иллинойского университета создали компьютерную модель, описывающую процесс фотосинтеза в листьях растений. Модель помогла найти способ изменения фотосинтеза, практически удваивающий продуктивность зерновых культур.

Фотосинтез – образование углеводов из углекислого газа и воды, происходящее с поглощением энергии солнечного света. Способностью к фотосинтезу обладают растения, водоросли, фитопланктон и некоторые бактерии и простейшие. В реакциях фотосинтеза задействованы многочисленные ферменты и другие химические соединения. Этот процесс – один из наиважнейших в природе, так как стоит в начале огромного числа пищевых цепочек.

Целью работы ученых был ответ на вопрос – можно ли смоделировать более эффективный процесс фотосинтеза, чем происходящий в обычных культурных растениях. «В фотосинтезе растений задействовано более 100 протеинов, а тестирование каждого из них занимает большое количество времени, - говорит руководитель исследования профессор растениеводства Стив Лонг (Steve Long). – Поэтому ответить на поставленный вопрос, используя только реальные растения, нам бы не удалось». Решить задачу помог суперкомпьютер.

Вначале была создана модель фотосинтеза, корректно отражающая реакции на изменения окружающей среды. После этого было определено содержание каждого из протеинов, вовлеченных в фотосинтез, и выведены дифференциальные уравнения, описывающие каждую ступень процесса. Модель тестировалась и настраивалась до тех пор, пока не начала корректно предсказывать результаты экспериментов с реальными растениями.

Затем ученые начали произвольно изменять содержание отдельных ферментов. У многих зерновых культур, например, пшеницы, еще до производства зерна большая часть азота используется для синтеза протеинов в листьях. «Мы задали себе простой вопрос – можно ли улучшить продуктивность пшеницы, используя все то же фиксированное количество азота для синтеза других фотосинтезирующих протеинов?», - говорит Стив Лонг.

Для определения, какие изменения будут способствовать улучшению продуктивности растений, ученые использовали эволюционные алгоритмы – алгоритмы, в которых наилучшие решения получают путем отбора в «популяциях» «мутирующих» решений. В результате было обнаружено несколько протеинов, высокие концентрации которых дают искомый результат. Полученные данные совпали с результатами других исследований, показавших взаимосвязь высокой продуктивности трансгенных растений с наличием некоторых белков.

По словам Стива Лонга, путем изменения процесса фотосинтеза зерновых растений можно почти удвоить их продуктивность. 

Источник: «CNews»