Jump to content
Forum Kopalni Wiedzy
KopalniaWiedzy.pl

Poprawili fotosyntezę i zwiększyli plony o 40%

Recommended Posts

Rośliny zamieniają światło słoneczne w energię za pomocą procesu fotosyntezy. Jednak proces ten jest obarczony poważnym błędem, który spowodował, że w roślinach wyewoluowało fotooddychanie. To kosztowny energetycznie proces, który znacząco zmniejsza potencjał wzrostu roślin. Naukowcy z University of Illinois i Departamentu Rolnictwa USA poinformowali na łamach Science, że udało im się tak poprawić proces fotooddychania, iż zwiększyli plony o 40%.

Dzięki temu plony na samym tylko Środkowym Zachodzie USA mogłyby zwiększyć się tak, że można by wyżywić dodatkowo 200 milionów ludzi, mówi główny autor badań, profesor Donald Ort. Jeśli uda się w ten sposób tylko częściowo zwiększyć plony roślin uprawnych, to będziemy w stanie zaspokoić zapotrzebowanie na wyżywienie w XXI wieku. Gwałtownie ono rośnie w związku z rosnącą liczbą ludności oraz coraz większą kalorycznością diety, dodaje uczony.

Przełomowe badnia to część międzynarodowego projektu badawczego o nazwie Realizing Increased Photosynthetic Efficency (RIPE), który jej finansowany przez Fundację Billa i Melindy Gatesów, Foundation for Food and Agricultural Research oraz brytyjski Departament Rozwoju Międzynarodowego.

W procesie fotosyntezy wykorzystywany jest najbardziej na świecie rozpowszechniona proteina, enzym Rubisco. Wraz ze światłem słonecznym jest on wykorzystywany do zamiany dwutlenku węgla i wody w cukry odżywiające rośliny. Z czasem Rubisco padł ofiarą własnego sukcesu, doprowadzając do pojawienia się atmosfery bogatej w tlen. Enzym nie jest w stanie idealnie odróżnić molekuły dwutlenku węgla od molekuły tlenu i w 20% przypadków pobiera tlen zamiast CO2. W efekcie w roślinie powstaje toksyczny związek, który musi być usuwany za pomocą fotooddychania.

Fotooddychanie to przeciwieństwo fotosyntezy, mówi inny z autorów badań, biolog molekularny Paul South. Pozbawia ono roślinę cennej energii i zasobów, które mogłaby zainwestować w fotosyntezę i we własnych wzrost.

Fotooddychanie przebiega złożoną drogą przez trzy elementy roślin: choroplasty, peroksysomy i mitochondria. Amerykańscy naukowcy stworzyli alternatywną drogę dla procesu oddychania, dzięki czemu znacząco go uprościli, dzięki czemu roślina oszczędza tak duże ilości energii, że jej plony rosną o 40%. Po raz pierwszy w historii udało się manipulować fotooddychaniem tak, że doszło do zwiększenia plonów upraw prowadzonych w normalnych, a nie laboratoryjnych, warunkach.

Tak jak Kanał Panamski był wielkim osiągnięciem inżynieryjnym, który zwiększył efektywność światowego handlu, tak skrócenie drogi procesu fotooddychania to wielkie osiągnięcie inżynierii roślin, które pozwala na znaczące zwiększenie efektywności fotosyntezy, mówi dyrektor RIPE, Stephen Long.

Zespół naukowy, za pomocą odpowiednich zmian w genach i ich promotorach, opracował trzy alternatywne drogi fotooddychania. Następnie zaimplementował je w 1700 roślinach, które poddał testom polowym, by wybrać te, które będą sobie najlepiej radziły.
Po dwóch latach wielokrotnie powtarzanych studiów polowych powstała metoda, dzięki której rośliny rosły szybciej, były wyższe, wytwarzały około 40% więcej biomasy.

Badania były prowadzone na tytoniu, który jest idealnym modelem do badań nad roślinami, gdyż łatwo poddaje się modyfikacjom i testom. Teraz uczeni przekładają wyniki uzyskane na tytoniu na bardziej przydatne rośliny, takie jak soja, ryż, ziemniaki, pomidory, bakłażany i wspięga wężowata.

W miarę ocieplania się klimatu Rubisco ma coraz większe problemy z odróżnieniem tlenu od dwutlenku węgla, co powoduje coraz większe fotooddychanie. Naszym celem jest stworzenie lepszych roślin, które poradzą sobie z ociepleniem teraz i w przyszłości oraz wyposażenie rolników w technologie potrzebne do wykarmienia świata, mówi Amanda Cavanagh.


« powrót do artykułu

Share this post


Link to post
Share on other sites

Teraz w sadźmy to w jakiegoś wirusa roślinnego, który może się jeszcze replikować w roślinach i nie wzgardzi niczym, co zielone i powoli podmienimy geny wszystkich roślin na świecie. Bez fotooddychania będą lepiej sobie radziły z usuwaniem CO2 i szybciej rosły, same korzyści.

Oczywiście żartuję. Chętnie bym rzeczywiście takie poprawki implementował na skalę globalną, ale to eksperyment na zbyt dużą skalę, a nie mamy jeszcze zapasowej planety na takie badania.

Share this post


Link to post
Share on other sites
W dniu 8.01.2019 o 12:19, Delor napisał:

Mogą wyjść jeszcze takie "kwiatki" i okaże się, że bez dodatkowego nawożenia nie da rady tego zbilansować.

Dałoby się, gdyby symbionty przyswajające azot z powietrza, uczyniono zdolnymi do współpracy ze zmodyfikowanymi roślinami. Trzeba by popracować nad genotypem motylkowych.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Create an account or sign in to comment

You need to be a member in order to leave a comment

Create an account

Sign up for a new account in our community. It's easy!

Register a new account

Sign in

Already have an account? Sign in here.

Sign In Now

  • Similar Content

    • By KopalniaWiedzy.pl
      Brak zapylaczy już teraz powoduje, że Stany Zjednoczone doświadczają zmniejszonych plonów jabłek, wiśni i borówek, donoszą autorzy najszerzej zakrojonych badań na ten temat. Większość światowych plonów zależy od zapylania ich przez pszczoły miodne oraz dzikie pszczoły, dlatego też spadek populacji tych owadów rodzi obawy o bezpieczeństwo żywnościowe, piszą naukowcy z Rutgers University.
      Odkryliśmy, że plony wielu roślin są ograniczane przez brak zapylaczy. Oznacza to, że plony byłyby większe, gdyby były bardziej intensywnie zapylane. Stwierdziliśmy też, że pszczoły miodne i dzikie pszczoły w równym stopniu odpowiadają za zapylanie. Odpowiednie zarządzanie habitatem dzikich pszczół i zwiększenie liczby kolonii pszczół hodowlanych powinno zwiększyć intensywność zapylania i plony, mówi jedna z autorek badań, profesor Rachael Winfee.
      Szacuje się, że w samych tylko Stanach Zjednoczonych rynek rolny zależny od zapylaczy ma wartość ponad 50 miliardów dolarów. Tymczasem coraz więcej badań wskazuje, że liczba hodowlanych i dzikich pszczół spada.
      Naukowcy z Rutgers University pracowali na 131 farmach w USA i w kanadyjskiej Kolumbii Brytyjskiej. Zbierali tam dane dotyczące aktywności zapylaczy na jabłoniach, borówkach wysokich, wiśni ptasiej, wiśni pospolitej, migdałach, melonach i dyniach. Dane te porównywali następnie z informacjami o plonach. Okazało się, że w przypadku jabłek, obu gatunków wiśni oraz borówek plony są wyraźnie zależne od zapylania, co wskazuje, że obecnie są one mniejsze niż mogły by być.
      Pszczoły hodowlane i dzikie równie często zapylały uprawy. Naukowcy obliczają, że wartość „usługi zapylania” świadczonej przez same tylko dzikie pszczoły w odniesieniu do siedmiu badanych przez nich roślin wynosi ponad 1,5 miliarda dolarów.
      Spadek liczby zapylaczy przekłada się bezpośrednio na spadek plonów badanych roślin, czytamy w artykule opublikowanym na łamach Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences. Sposobami na poradzenie sobie z tym problemem jest utrzymanie habitatu dzikich pszczół i zwiększenie liczby kolonii pszczół hodowlanych.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Przed ponad 1400 laty mieszkańcy dzisiejszego stanu Waszyngton, palili sumak szkarłatny (Rhus glabra). Takie wnioski płyną z badań tego, co odkryto we wnętrzu liczącej sobie ponad 1400 lat fajki znalezionej w środkowej części stanu. Naukowcy z Washington State University wykorzystali przy tym nową technologię, która pozwala zidentyfikować tysiące składników roślinnych.
      W fajce znaleziono też ślady Nicotiana quadrivalvis. To gatunek dzikiego tytoniu, który obecnie w okolicy nie występuje, jednak prawdopodobnie w przeszłości był tam szeroko uprawiany.
      Jednak najbardziej interesującym znaleziskiem są ślady Rhus glabra. Dotychczas bowiem brakowało fizycznych dowodów, by Indianie palili jakieś inne rośliny niż tytoń.
      Wśród Indian Ameryki Północnej palenie fajki odgrywało często rolę religijną i ceremonialną., Nasze badania pokazują, które rośliny były w przeszłości ważne dla lokalnych społeczności. Sądzimy, że sumak mógł być mieszany z tytoniem zarówno dla jego właściwości zdrowotnych, jak i dla poprawy smaku fajki, mówi główny autor badań, Korey Brownstein.
      Nowa metoda identyfikacji składników roślinnych bazuje na metabolitach obecnych w szczątkach roślin. Mówi ona nam nie tylko, że znaleźliśmy to, czego szukaliśmy, ale zdradza też, co jeszcze znajdowało się w fajce, dodaje profesor David Gang. Nie przesadzę, jeśli stwierdzę, że to zupełnie nowa jakość w archeologicznej analizie chemicznej.
      Dotychczas naukowcy poszukiwali konkretnych biomarkerów poszczególnych roślin, takich jak np. nikotyna czy kofeina. Jak mówi Gang, problem z tą metodą polegał na tym, że o ile np. obecność nikotyny wskazywała na palenie tytoniu, nie było wiadomo, jaki konkretnie gatunek rośliny był używany. Ponadto, jeśli za pomocą tej metody szukasz konkretnego biomarkera, to nie jesteś w stanie stwierdzić, co jeszcze się tam znajdowało, dodaje uczony.
      Teraz, dzięki nowej metodzie, naukowcy nie tylko zidentyfikowali inną, obok tytoniu, roślinę dodawaną do fajki, ale byli również w stanie powiedzieć więcej o uprawach czy handlu tytoniem. W drugiej bowiem fajce, która była używana już po przybyciu Europejczyków do Ameryki, znaleziono inny gatunek tytoniu – N. rustica. Był on uprawiany przez Indian na wschodnim wybrzeżu.
      Nasze badania pokazują, że społeczności Ameryki Północnej wchodziły ze sobą w szerokie interakcje obejmujące różne regiony ekologiczne, wymieniali się tytoniem i innymi dobrami. Odkrycie to każe też podać w wątpliwość szeroko rozpowszechniony pogląd, jakoby po kontakcie z Europejczykami miejscowe tytoń został wyparty przez ten uprawiany przez Białych.
      Naukowcy z Washington State University mówią, że wykorzystana przez nich metoda pozwoli archeologom na bardziej precyzyjne identyfikowanie roślin używanych przez setkami czy tysiącami lat, dostarczając bardziej szczegółowych informacji zarówno na temat ewolucji używek, ich interakcji z różnymi społecznościami, jak i danych na temat upraw czy handlu.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Do fotosyntezy potrzebne jest nie tylko światło, ale i ciepło - dowodzą naukowcy z Lublina. Rośliny odzyskują część ciepła, które powstaje w fotosyntezie, i używają go ponownie do zasilania reakcji napędzanych światłem, w tym – do produkcji tlenu – tłumaczy prof. Wiesław Gruszecki.
      Naukowcy mają nadzieję, że wiedzę dotyczącą gospodarowania strumieniami energii w aparacie fotosyntetycznym roślin uda się wykorzystać np. w rolnictwie, by zwiększyć plony.
      Energia niezbędna do podtrzymywania życia na Ziemi pochodzi z promieniowania słonecznego. Wykorzystanie tej energii możliwe jest dzięki fotosyntezie. W ramach fotosyntezy dochodzi do przetwarzania energii światła na energię wiązań chemicznych, która może być wykorzystana w reakcjach biochemicznych. W procesie tym rośliny rozkładają też wodę, wydzielając do atmosfery tlen, potrzebny nam do oddychania.
      Do tej pory sądzono, że w fotosyntezie rośliny korzystają tylko z kwantów światła. Zespół z Uniwersytetu Marii Curie-Skłodowskiej i Instytutu Agrofizyki PAN w Lublinie wskazał jednak dodatkowy mechanizm: do fotosyntezy potrzebna jest również energia cieplna, która - jak się wydawało - powstaje w tym procesie jako nieistotny skutek uboczny. Tymczasem z badań wynika, że ten „recykling energii” jest niezbędny w procesie wydajnego rozkładania wody do tlenu. Wyniki ukazały się w renomowanym czasopiśmie Journal of Physical Chemistry Letters.
      Wydajność energetyczna fotosyntezy jest niewielka – mówi w rozmowie z PAP prof. Wiesław Gruszecki z UMCS. Wyjaśnia, że roślina zamienia w biomasę najwyżej 6 proc. energii słonecznej, którą pobiera. Natomiast około 90 proc. energii pochłanianej ze światła jest oddawana do środowiska w postaci ciepła. Dotąd uważaliśmy, że frakcja oddawana do środowiska w postaci ciepła, z punktu widzenia wydajności energetycznej tego procesu, jest nieodwracalnie stracona. Ku naszemu zaskoczeniu okazało się jednak, że aparat fotosyntetyczny w roślinach jest na tyle sprytny, że potrafi jeszcze wykorzystywać część energii rozproszonej na ciepło – mówi.
      Naukowiec podkreśla, że są to badania podstawowe. Jego zdaniem mają one jednak szansę znaleźć zastosowanie choćby w rolnictwie.
      Jeśli procesy produkcji żywności się nie zmienią, to w połowie XXI wieku, kiedy Ziemię może zamieszkiwać nawet ponad 9 mld ludzi, nie starczy dla wszystkich jedzenia, tym bardziej przy niepokojących zmianach klimatycznych – alarmuje naukowiec. Badania jego zespołu są częścią międzynarodowych działań naukowców. Badają oni, co reguluje przepływy i wiązanie energii w procesie fotosyntezy. W powszechnym przekonaniu wiedza ta umożliwi inżynierię bądź selekcję gatunków roślin, które dawać będą większe plony.
      Gdyby produkować rośliny, w których ścieżka odzyskiwania energii cieplnej będzie jeszcze sprawniejsza – uważa badacz – to fotosynteza przebiegać będzie efektywniej, a roślina produkować będzie więcej biomasy. To zaś przekłada się bezpośrednio na większe plony.
      Zdaniem prof. Gruszeckiego kolejnym miejscem, gdzie można zastosować nową wiedzę, jest produkcja urządzeń do sztucznej fotosyntezy. Prace nad nimi trwają już w różnych miejscach na Ziemi, również w Polsce.
      Naukowiec wyjaśnia, na czym polegało odkrycie jego zespołu. Z badań wynika, że wśród struktur w chloroplastach, w których zachodzi fotosynteza, znajdują się kompleksy barwnikowo-białkowe. Pełnią one funkcję anten zbierających światło. Okazuje się, że kompleksy te grupują się spontanicznie w struktury zdolne do recyklingu energii rozproszonej w postaci ciepła. Anteny te przekazują również energię wzbudzenia uzyskaną z ciepła do centrów fotosyntetycznych, w których zachodzą reakcje rozszczepienia ładunku elektrycznego (w szczególności do Fotosystemu II). Proces ten wpływa na wzrost wydajności energetycznej fotosyntezy. I umożliwia wykorzystanie w tym procesie promieniowania o niższej energii (również z obszaru bliskiej podczerwieni). Wydaje się mieć to szczególne znaczenie w warunkach niskiej intensywności światła słonecznego.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Naukowcy z University College London znaleźli dodatnią korelację pomiędzy liczbą mieszkańców Wielkiej Brytanii, którzy rzucają palenie, a liczbą osób, które używają e-papierosów i z nich rezygnują.
      Badania, których wyniki opublikowano w piśmie Addiction, były sponsorowane przez Cancer Research UK. Ich autorzy zauważyli, że od roku 2011, kiedy to zauważalny jest wzrost liczby użytkowników e-papierosów, rośnie też odsetek osób, którym udało się rzucić palenie. Co więcej, w roku 2015 tempo wzrostu liczby użytkowników e-papierosów uległo spowolnieniu, a w tym samym czasie podobne zjawisko zaobserwowano w grupie osób rzucających palenie. Naukowcy wyliczyli, że w samym tylko roku 2017 palenie tytoniu rzuciło od 50 700 do 69 930 osób, które – gdyby nie e-papierosy – nadal paliłyby tytoń.
      Na potrzeby badań wykorzystano dane ze Smoking Toolkit Study. To prowadzone od 2006 roku comiesięczne ankiety dotyczace palenia papierosów wśród osób od 16. roku życia.
      Podczas analizy uwzględniano zmiany w czasie liczby użytkowników e-papierosów, liczby osób używających e-papierosów w celu rzucenia palenia, całkowitej liczby osób usiłujących rzucić palenie, całkowitej liczby osób, którym udało się rzucić palenie oraz uśrednionej liczby palaczy tradycyjnych papierosów. Dane skorygowano o takie zjawiska jak zmiany pór roku, zmiany w polityce państwa, trendy społeczne, dostępność papierosów czy wydatki przemysłu tytoniowego na reklamę.
      Autorzy badań, doktor Emma Beard z Wydziału Psychologii i Językoznawstwa oraz doktor Jamie Brown i profesor Robert West z Wydziału Epidemiologii i Opieki Zdrowotnej, stwierdzili, że ich badania pokazały, iż e-papierosy pomagają rzucić palenie. Wydaje się, że w Anglii znaleziono rozsądną równowagę pomiędzy regulowaniem, a promocją e-papierosów. Działania marketingowe są poddane ścisłej kontroli, więc bardzo mało ludzi, którzy nigdy nie palili, sięga po e-papierosy, a jednocześnie miliony palaczy używa e-papierosów, by ograniczyć lub rzucić palenie w ogóle. Z kolei George Butterwoth, menedżer z Cancer Research UK, ostrzega: E-papierosy to dość nowy produkt, ich używanie nie jest pozbawione ryzyka, nie znamy długoterminowych skutków ich stosowania. Dlatego odradzamy ich używanie osobom, które nigdy nie paliły.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Do 2040 roku dojdzie do znaczącej zmiany wzorca opadów na terenach uprawy pszenicy, soi, ryżu i kukurydzy. Jak wykazały badania przeprowadzone przez Międzynarodowe Centrum Rolnictwa Tropikalnego (Centro Internacional de Agricultura Tropical – CIAT), zmian należy się spodziewać, nawet jeśli zostaną spełnione warunki paryskiego porozumienia klimatycznego i dojdzie do redukcji emisji dwutlenku węgla.
      Autorzy badań, opublikowanych w PNAS (Proceedings of the National Academy of Sciences), informują, że w ciągu 2 dekad należy się spodziewać, że nawet 14% terenów, gdzie uprawiane są pszenica, soja, ryż i kukurydza będzie bardziej suchych, a 31% – bardziej wilgotnych.
      Zmniejszą się opady nad obszarami uprawnymi w południowo-zachodniej Australii, południowej Afryce, południowo-zachodniej Ameryce Południowej, środkowym Meksyku oraz w basenie Morza Śródziemnego. Bardziej wilgotno będzie w Kanadzie, Rosji, Indiach i na wschodzie USA.
      Wspomniane cztery rośliny dostarczają ludzkości aż 40% kalorii. Specjaliści z CIAT ostrzegają, że właściciele pól już teraz powinni rozpocząć inwestycje, by przygotować się na zmiany wzorców opadów. Te i tak zajdą, nawet jeśli ludzkość zredukowałaby emisję gazów cieplarnianych. Przy scenariuszu wysokiej emisji większość regionów ma 2 dekady na przygotowanie się do zmian, przy niskiej emisji będzie to o 2-3 dekady więcej.
      Zmniejszenie opadów jest spodziewane na polach wielu ważnych producentów pszenicy. W Australii dotknie ono 27% upraw pszenicy, w Algierii będzie to 100% upraw, w Maroko 91%. Odczują je też producenci w RPA (79% upraw), Meksyku (74%), Hiszpanii (55%), Chile (40%), Turcji (28%), Włoszech (20%), Egipcie (15%) i innych krajach.
      "Nasze przewidywania są raczej ostrożne co do tempa zmian. Ponadto zauważalne zmiany w opadach to nie tylko problem dla rolnictwa, ale dla całego systemu zarządzania zasobami wodnymi, więc nasze badania dotyczą też innych dziedzin życia", mówi główna autorka badań, Maisa Rojas z Universidad de Chile.
      Naukowców najbardziej zaskoczyło tempo zmian. Okresem bazowym, do którego porównywano wyniki badań, były lata 1986–2005. Okazuje się, że już teraz w Rosji, Norwegii, Kanadzie i częściach wschodniego wybrzeża USA mamy do czynienia z zupełnie innymi wzorcami opadów niż wówczas. Naukowcy twierdzą, że aż 36% obszarów uprawnych doświadczy zwiększonych opadów. Rolnicy będą mieli do czynienia z innymi warunkami uprawy niż te, do których są przyzwyczajeni. To będzie warunki całkowicie wykraczające poza historyczne normy, a już teraz wielu rolników ma problemy z olbrzymią zmiennością warunków klimatycznych, mówi Julian Ramirez-Villegas.
      Najbardziej zaludnione kraje świata, Chiny i Indie, znajdą się w grupie, w której pola uprawne będą w przyszłości znacznie bardziej wilgotne niż dotychczas. Podobnych warunków doświadczą inni wielcy producenci ryżu, jak Japonia, Korea i Filipiny. Także rolnicy w północnej Europie, USA, Kanady i Rosji będą musieli zmierzyć się z dodatkową ilością wody opadającą na uprawy pszenicy.
      Naukowcy nie potrafią przewidzieć, jak zmiany odbiją się plonach. Żywności może być więcej, ale może być jej też mniej. Dużo zależy od tego, na ile ludzkość będzie w stanie przygotować się na zmiany.

      « powrót do artykułu
  • Recently Browsing   0 members

    No registered users viewing this page.

×
×
  • Create New...