یک تیم بینالمللی از پژوهشگران موفق به کشف استراتژی مولکولی شگفتانگیزی در گروهی نادر از گیاهان خشکی شدهاند که میتواند آینده کشاورزی را دگرگون کند. این یافته محققان مؤسسه بویس تامپسون (BTI)، دانشگاه کرنل و دانشگاه ادینبورگ، راهی تازه برای افزایش چشمگیر کارایی فتوسنتز در محصولات عمدهای چون گندم و برنج ارائه میدهد.
روبیسکو؛ آنزیمی حیاتی با یک نقص بزرگ
روبیسکو (Rubisco) مهمترین آنزیم کره زمین است؛ نقشی که دیاکسید کربن را از هوا گرفته و وارد چرخه تولید مواد آلی میکند. اما این آنزیم یک نقطه ضعف ذاتی دارد: سرعت عمل آن پایین است و به راحتی به جای دیاکسید کربن، با اکسیژن واکنش میدهد. این اشتباه مولکولی انرژی گیاه را هدر میدهد و بازده نهایی رشد را محدود میکند.
فی-وی لی (Fay-Wei Li)، دانشیار BTI و هماهنگکننده تحقیق، میگوید: «روبیسکو بدون شک مهمترین آنزیم سیاره است چون نقطه ورود تقریباً تمام کربن موجود در غذایی است که میخوریم. اما کند است و به راحتی توسط اکسیژن منحرف میشود.»
از پیرنوئید جلبکها تا راهکار بومی گیاهان شاخدار
طبیعت برای رفع این ناکارآمدی راهکارهایی تکامل داده است. بسیاری از جلبکها روبیسکو را درون محفظههای میکروسکوپی به نام پیرنوئید (pyrenoid) قرار میدهند که غلظت CO₂ را در اطراف آنزیم بالا میبرند. پژوهشگران سالها در تلاش بودند چنین سیستمی را به گیاهان زراعی منتقل کنند، اما ماشینآلات پیچیده جلبکها قابل انتقال نبود.
اینجا بود که نگاهها به سمت گیاهان شاخدار (hornworts) چرخید؛ تنها گیاهان خشکی که به طور طبیعی محفظههای تمرکز کربن دارند. از آنجایی که این گیاهان از نظر تکاملی به غلات نزدیکتر هستند، دانشمندان امیدوار بودند ابزار مولکولی سادهتری در اختیار داشته باشند.
اما چیزی که یافتند فراتر از تصور بود.
ولکروی مولکولی درون خود آنزیم
محققان به جای یک پروتئین جداگانه، دریافتند که خود روبیسکو در گیاهان شاخدار اصلاح شده است. تانر رابینسون، دانشجوی دکتری و نویسنده اول مقاله، توضیح میدهد: «ما فکر میکردیم این گیاهان هم مثل جلبکها یک پروتئین مخصوص برای جمعآوری روبیسکو دارند. اما متوجه شدیم که خود روبیسکو را برای این کار مهندسی کردهاند.»
قطعه کلیدی یک بخش اضافی روی زیرواحد کوچک آنزیم به نام RbcS-STAR است. این بخش که توالی STAR نام دارد، دقیقاً مثل یک ولکروی مولکولی عمل میکند و باعث میشود مولکولهای روبیسکو به هم بچسبند و خوشههای متراکم تشکیل دهند.
آزمایش موفق روی گیاهان دیگر
تیم تحقیقاتی برای اثبات کارایی این مکانیسم، RbcS-STAR را ابتدا به گونهای از خود گیاهان شاخدار که پیرنوئید ندارند وارد کردند. نتیجه شگفتانگیز بود: روبیسکو از حالتی پراکنده به ساختارهای متمرکز شبیه پیرنوئید تغییر کرد.
سپس همین آزمایش روی آرابیدوپسیس (Arabidopsis)، گیاه مدل آزمایشگاههای زیستشناسی، تکرار شد. باز هم روبیسکو درون سلولهای گیاه به صورت خوشههای متراکم درآمد.
این موفقیت نشان میدهد که توالی STAR ابزاری مستقل و قابل حمل به سایر گیاهان است و برخلاف مکانیسم جلبکها، نیاز به مجموعه پیچیدهای از پروتئینهای اضافی ندارد.
گامی بلند به سوی محصولات فوقکارآمد
دستیابی به سیستمی که بتواند کارایی روبیسکو را افزایش دهد، تأثیر مستقیمی بر افزایش عملکرد محصولات کشاورزی و کاهش مصرف آب و کود خواهد داشت. پژوهشگران پیشبینی میکنند که با این روش بتوان تا ۶۰ درصد بازده فتوسنتز را در گیاهان تراریخته بالا برد.
طبق بیانیه مؤسسه بویس تامپسون، قدم بعدی آزمایش این سیستم در گیاهان زراعی واقعی مانند برنج، گندم و سویا است. اگر این مرحله موفقیتآمیز باشد، میتوان انتظار داشت که در عرض یک دهه، نسل جدیدی از بذرهای فوقکارآمد پا به مزارع بگذارند.
