Новый сорт риса поможет уменьшить выбросы парниковых газов

03.08.2015

Ученые из Швеции получили генетически модифицированный рис, плантации которого почти не выбрасывают в атмосферу метан. Для этого рис снабдили одним из генов ячменя, стимулирующим отложение крахмала в стеблях и семенах растения. Зерна такого риса более питательные, а в корнях, наоборот, запасается меньше углеводов. Поэтому живущим у корней риса почвенным бактериям достается меньше сырья для синтеза метана.

Метан — злостный парниковый газ, его молекулы поглощают инфракрасное излучение активнее молекул углекислого газа. Вклад метана в увеличение температуры, которое наблюдается с тех пор, как человечество стало активно влиять на климат Земли, составляет около 20%. Основной источник метана, возникший из-за деятельности людей, — это рисовые поля. По разным оценкам, они производят от 7 до 17% атмосферного метана. А поскольку человечество растет и нуждается во всё больших количествах пищи, в будущем число рисовых полей наверняка значительно возрастет. Поэтому дальновидные исследователи из Швеции уже сейчас получили сорт риса, который почти не вырабатывает метана. Если бы фермеры перешли на такой рис, вклад человечества в глобальное потепление удалось бы резко сократить.

Ранее эта же команда ученых нашла у ячменя ген транскрипционного фактора SUSIBA-2, работающий, в основном, в семенах растения и усиливающий наработку крахмала. Крахмал — это полимер, в виде которого растения запасают сахара, образованные в ходе фотосинтеза. Если заставить ген SUSIBA-2 активно работать в определенной ткани растения, туда будут стекаться сахара. Понятно, что в рисе такое перераспределение запасов сахаров от корней к стеблям и зернам могло бы помочь уменьшить выбросы метана плантациями этого растения.

Дело в том, что метан синтезируется не самим рисом, а определенными бактериями, обитающими на его корнях. В качестве сырья для синтеза метана бактерии используют ацетат и другие углеродсодержащие молекулы, образующиеся после распада сахаров. Поэтому чем меньше сахаров будет поступать в корни, тем менее комфортно будут чувствовать себя метанобразующие бактерии и тем меньше метана будут выделять в атмосферу рисовые поля.

Ученые получили генетически модифицированные растения риса, в которых работал ген транскрипционного фактора ячменя SUSIBA-2. Систему управления геном тоже позаимствовали у ячменя: ген у него начинает активно работать только в присутствии достаточного количества сахаров. Нарабатываемый транскрипционный фактор при этом усиливает активность собственного гена, а также включает другие гены, необходимые для связывания сахаров в крахмал. Получается, что система работает всё активнее, пока есть свободные сахара. Но для начала ее работы нужно, чтобы сахара присутствовали в свободном виде в достаточных количествах, поэтому активной она будет не во всех частях растения.

В полученном исследователями рисе ячменевый фактор SUSIBA-2 активно нарабатывался в семенах и стеблях растений, образовывался в листьях в едва заметных количествах, а в корнях не синтезировался совсем. Такая же картина наблюдалась с активностью генов, занятых в переработке сахаров в крахмал. Так ученым удалось перенаправить поток сахаров в растении, чтобы они как можно активнее откладывались в семенах и стеблях, а не в корнях. Помимо достижения основной цели — уменьшения образования метана — получилось, что семена риса стали более питательными и их сухая масса увеличилась.

У всех метанобразующих бактерий есть кофермент F420. По его специфической флуоресценции легко отличить метанобразующих бактерий от остальных. Ученые с помощью флуоресцентной микроскопии изучили корни трансгенного риса, выращенного в полевых и лабораторных условиях, и увидели, что в обоих случаях метанобразующих бактерий на его корнях меньше, чем у обычного риса (рис. 2). Неудивительно, что и метана посадки такого риса выделяли меньше.

Рис. 2. Флуоресценция метанобразующих бактерий на корнях риса

Рис. 2. Флуоресценция метанобразующих бактерий на корнях обычного риса (Nipp) и корнях генетически модифицированного риса, активнее запасающего крахмал в стеблях и зернах (SUSIBA2-77). Длина масштабного отрезка 1 мм. Фото из обсуждаемой статьи в Nature

Интересно, что эффективность системы зависела от времени года и суток, потому что включалась система перераспределения сахаров только при достаточной их наработке. Так, утром разница в выделении метана посадками обычного и трансгенного риса была небольшой, но днем резко возрастала. Летом трансгенный рис выделял меньше метана, чем осенью. На пиках наработки сахаров генетически модифицированные растения выделяли всего 0,3% от количества метана, образуемого обычным рисом.

Генетически модифицированный рис уже прошел трехлетние полевые испытания в нескольких регионах Китая. Но поскольку эти растения влияют на баланс почвенных бактерий, перед распространением нового сорта риса понадобятся более длительные и детальные исследования состава почвы. Кроме того, прямо сейчас широко распространить новый сорт риса не получится из-за недоверия общества к технологиям ГМО. Поэтому ученые планируют получить рис с такой же генетической модификацией традиционными методами — с помощью селекции. По оценкам исследователей, на это уйдет около десяти лет.

 

Элементы