Jest trochę złych wiadomości, po nich dobre wiadomości, częściowo anulowane przez dalsze złe wiadomości. Złą wiadomością jest to, że nasza populacja rośnie, a z tym nasze zapotrzebowanie na żywność, niemniej zbliżamy się do granic naszych zdolności podnoszenia plonów przez samą uprawę. Specjaliści mogą spierać się o to, czy już dotarliśmy do tej granicy, czy jesteśmy jej blisko, ale jest całkiem oczywiste, że nie podwoimy wydajności rolnictwa przez kolejne 50 lat przez uprawę.
To jednak będziemy w zasadzie musieli zrobić, jeśli mamy zaspokoić potrzeby kaloryczne ludzkości. W 2050 roku plony będą musiały być o 60% wyższe niż w 2005 roku i potrzeby będą prawdopodobnie nadal rosły zanim się ustabilizują. Niewątpliwie można będzie nieco zdobyć przez zredukowanie ilości marnowanej żywności, ale to w żadnym razie nie wystarczy. I z pewnością musimy podjąć kroki do szybszego ustabilizowania populacji przez, między innymi, walkę z biedą i promowanie praw kobiet w krajach rozwijających się.
Nawet jednak przy optymistycznych warunkach – po prostu musimy produkować więcej żywności. Ponadto, jak omawiałem niedawno, właściwie używamy całej dobrej ziemi uprawnej. Zabieranie więcej ziemi do produkowania żywności nie jest dobrą opcją.
W rzeczywistości więc mamy tylko jedną realną opcję, jeśli mamy zaspokoić nasze potrzeby żywnościowe – genetycznie modyfikowane rośliny uprawne. To jest dobra wiadomość – GMO istotnie mają potencjał, by znacząco podnieść plony. Jednym ze sposobów robienia tego jest spowodowanie by fotosynteza była bardziej wydajnym procesem. Okazuje się, że można to zrobić na kilka sposobów.
Po pierwsze, jest różnica między szlakami fotosyntezy C3 i C4. Szlak C4 jest wydajniejszy i podnosi produkcję biomasy. Część tej zwiększonej wydajności polega na mechanizmach lepszej koncentracji węgla. Ten szlak wyewoluował niezależnie w wielu roślinach i są inne rośliny, które znajdują się w połowie drogi między C3 i C4, ale nasze podstawowe rośliny uprawne wszystkie używają C3.
Jest projekt finansowany przez Fundację Billa i Melindy Gatesów stworzenia ryżu C4. To byłoby olbrzymim zwiększeniem ważnej podstawowej uprawy na całym świecie. Należy oklaskiwać Fundację Gatesów – finansują wiele ważnych badań naukowych na całym świecie i zawsze nalegają, by wyniki były swobodnie dostępne dla wszystkich.
Przejście od C3 do C4 jest jednak skomplikowane i wymaga wielu kroków, które muszą działać równocześnie. Najwyraźniej jednak istnieje droga, ponieważ istnieją rośliny, które tylko częściowo dokonały tego przejścia. Naukowcy muszą odkryć geny i produkty dla każdego kroku na tym szlaku i manipulować nimi tak, by działały razem. Czynią postępy, ale trudno powiedzieć, ile jeszcze czasu to zabierze.
Różnica znajduje się w zestawie enzymów nazywanych Rubisco. Jak wyjaśniono tutaj:
Kluczowym wyzwaniem manipulowaniu Rubisco w roślinach jest to, że jest to masywny, heksadecymalny [szesnastkowy] kompleks o łącznej masie 550 kDa, składający się z 8 dużych podjednostek ( około 52 kDa każda) i ośmiu małych podjednostek ( około 13 do 15 kDa). Jest tworzony przez niezmiernie skomplikowany proces syntezy i montażu, który zależy od szeregu składników zakodowanych w jądrze i chloroplaście.
Krótko mówiąc – to jest skomplikowane, z genami zarówno w jądrach komórkowych rośliny, jak w chloroplaście (roślinnej wersji mitochondrii u zwierząt). A także, choć wiem, że to wielkie wymagania, mam nadzieję, że będzie możliwe stworzenie złotego ryżu C4, żeby otrzymać zarówno większe plony, jak dodatkową witaminę A. Farmerzy będą mieli ogromną zachętę do siania złotego ryżu, bo otrzymają większe plony.
Jest tego więcej – rośliny muszą szybko dostosowywać metabolizm do poziomu światła. Wystawienie na bezpośrednie, ostre światło słoneczne może je uszkodzić, a więc zmieniają metabolizm, by pozbyć się nadmiaru ciepła. Przy mniejszym świetle wracają do maksymalnej wydajności produkcji. Jednak ten powrót może być powolny, co znaczy, że rośliny marnują wiele energii dokonując tego przejścia.
Badacze pracują nad enzymami, które pozwolą roślinie szybciej zmienić się z powrotem w stan produkcyjny (zamiast marnować ciepło), podnosząc potencjalnie plony aż do 20% (oczywiście, zależnie od warunków).
Jeszcze inne potencjalne ulepszenie fotosyntezy polega na adaptacji do wysokich poziomów tlenu w atmosferze. Fotosynteza wyewoluowała, kiedy poziomy CO2 były wysokie, ale poziomy O2 były bardzo niskie. Teraz mamy wysoki poziom O2 w atmosferze (21%). Wynikiem jest to, że czasami energia świetlna w roślinach nie rozbija wody i nie łączy się z CO2, ale raczej łączy się z O2, tworząc substancje chemiczne, które są zarówno potencjalnie szkodliwe, jak nie są pokarmem roślinnym.
Rośliny wyewoluowały szlaki ratunkowe, by przechwycić te utlenione produkty odpadowe i zamienić je z powrotem w żywność (nazywany cyklem Calvina-Bensona). Są one jednak bardzo niewydajne i marnotrawne. Tutaj jest kolejna możliwość ulepszenia i uczyniono już pewne postępy.
Wreszcie jest kolejny program badawczy, RIPE (Realizing Increased Photosynthetic Efficiency), również finansowany przez Fundację Gatesów. Celem jest wzięcie szlaku fotosyntezy od sinic, które potrafią używać i włączać do produkcji dalekiej podczerwieni. Rośliny głównie używają widzialnego światła i robią to głównie najwyższymi częściami swojej korony. Liście, które są zacienione, dostają stopniowo coraz mniej widzialnego światła, ale światło podczerwone dociera głębiej. Gdyby liście niżej na roślinie były zoptymalizowane na światło podczerwone, mogłyby używać energii świetlnej, która inaczej marnuje się.
Złożoność fotosyntezy okazuje się obusiecznym mieczem. Dostarcza wielu możliwości optymalizacji, a więc zwiększenia plonów, ale oznacza także że tworzenie takich zmian jest trudne. Dlatego też sama uprawa nie wystarczy – po prostu nie ma dość czasu na naturalne pojawienie się niezbędnych mutacji, ani nawet przed wywoływanie i hodowanie mutacji. Hybrydy także nie wystarczą, bo niezbędne szlaki nie istnieją w wystarczającej liczbie gatunków lub w tych, które są blisko spokrewnione z naszymi roślinami uprawnymi.
Potrzebujemy inżynierii genetycznej, by stworzyć tę zwiększoną wydajność. Badania trwają i czynią postępy, a część zastosowań wyszła już poza fazę koncepcji. Teraz muszą zostać zastosowane w rzeczywistych uprawach i przejść 10 lat obowiązkowego testowania. Może więc za 15-20 lat zobaczymy owoce tych badań.
Co doprowadza mnie z powrotem do końcowych złych wiadomości – opinia publiczna jest w znacznej mierze przeciwna GMO. Ta technologia została starannie i niesprawiedliwie zdemonizowana przez przemysł żywności organicznej i błądzących środowiskowców. Zmierzamy do homeryckiej bitwy. Po jednej stronie naukowcy tworzą nowoczesną technologię upraw, by na wiele sposobów ulepszyć fotosyntezę, radykalnie podnosząc plony i w zasadzie ratując nas przed nami samymi.
Z drugiej strony są negacjoniści nauki i ci, którzy ze względów ideologicznych sprzeciwiają się bezpiecznej technologii, bo uwierzyli złym argumentom i bezpodstawnym strachom. Nie ma tu porozumienia. Jeśli istnieje jakiś uzasadniony powód sprzeciwiania się optymalizacji fotosyntezy przez inżynierię genetyczną, to o nim nie słyszałem. Ale irracjonalny strach już hamuje, a może powstrzymać technologię, której naprawdę potrzebujemy. Mam nadzieję, że w końcu siła i użyteczność nauki zwyciężą.
Engineering Photosynthesis
13 listopada 2018
Tłumaczenie: Małgorzata Koraszewska
