Taka adaptacja rośliny może zwiększyć bezpieczeństwo żywnościowe zwłaszcza rodzin, których przetrwanie w dużym stopniu zależy od dostępności ziemniaków. Regiony upraw tej rośliny są bowiem często już teraz doświadczane przez zmiany klimatu. Ocieplenie uderza w różne uprawy i wpływa na wielkość ich plonów - zauważają autorzy publikacji, naukowcy z University of Illinois of Urbana-Champaign.

"Jeśli mamy zaspokoić potrzeby żywnościowe ludzi, żyjących w regionach najbardziej zagrożonych spadkiem plonów z powodu ocieplenia - musimy uzyskiwać takie plony, które mogą się oprzeć częstszym i bardziej intensywnym falom upałów" - mówi Katherine Meacham-Hensold ze wspomnianej uczelni. Kieruje ona międzynarodowym projektem badawczym Realizing Increased Photosynthetic Efficiency (RIPE), którego celem jest zwiększenie dostępu do żywności na świecie. Środkiem do tego celu jest opracowanie upraw, które bardziej wydajnie zamieniają energię słońca na masę wykorzystywaną jako pokarm.

Program ten jest wspierany przez Fundację Billa i Melindy Gatesów, Fundację Badań na rzecz Żywności i Rolnictwa oraz brytyjskie biuro Foreign, Commonwealth & Development.

Zdaniem Meacham-Hensold "obserwowany w ramach prób terenowych, 30-procentowy wzrost masy bulw, dobrze rokuje, jeśli chodzi o usprawnienie procesu fotosyntezy, i pozwoli uzyskać uprawy odporne na zmiany klimatu".

Procesem biochemicznym, na jakim skupili się autorzy badania, jest fotorespiracja (fotooddychanie) - proces zachodzący w obecności światła w komórkach roślinnych, objawiający się pobieraniem tlenu i wydzielaniem dwutlenku węgla na drodze innej niż oddychanie komórkowe. Fotorespiracja odbywa się, gdy enzym RuBisCo reaguje z cząsteczką tlenu, zamiast z dwutlenkiem węgla. Nawet w warunkach idealnych dla fotosyntezy fotorespiracja odbywa się aż w 25 proc. przypadków. Jeszcze częściej zachodzi ona w wysokich temperaturach. Rośliny muszą wówczas poświęcać mnóstwo energii na metabolizowanie toksycznych produktów ubocznych tego procesu (glikolanów).

Wcześniej wykazano również, że fotorespiracja nawet o 40 procent zmniejsza plony soi, ryżu i warzyw.

Naukowcy założyli, że w bardziej sprzyjających okolicznościach energia wykorzystywana na ten proces mogłaby posłużyć do nieco innego procesu, działającego bardziej na rzecz człowieka: wzrostu rośliny.

"Fotorespiracja oznacza dla rośliny duży wydatek energetyczny - zaznacza Meacham-Hensold. - Źle wpływa na produkcję żywności, ponieważ energia jest przekierowywana do metabolizowania toksyny. Naszym celem było obejście zwykłej ścieżki fotorespiracyjnej rośliny i ograniczenie marnowanej do tego energii".

Już wcześniej naukowcy z projektu RIPE wykazali, że włączając do rośliny modelowej dwa nowe geny: dehydrogenazy glikolanowej i syntazy jabłczanowej - można poprawić u niej wydajność fotosyntezy. Białka, zmienione dzięki manipulacji na poziomie genomu, metabolizują glikolan w chloroplaście (strukturze obecnej w zielonych częściach rośliny, w której przebiega fotosynteza) - zamiast przemieszczać ten związek w inne części komórki, jak to się dzieje obecnie.

Podczas prac na modelu rośliny uprawnej związane z tym oszczędności energii przekładały się na większy wzrost. Autorzy badania mają nadzieję, że może się to przełożyć na zwiększenie masy plonów. Naukowcy nie tylko dostrzegli różnicę. Jak piszą w "Global Change Biology" (DOI 10.1111/GCB.17595), w warunkach odpowiadających falom upałów korzyści potroiły się.

Przypominają też, że w miarę postępującego ocieplenia globalnego fale upałów stają się coraz częstsze i bardziej intensywne.

W 2022 roku naukowcy przeprowadzili w terenie trzytygodniowe eksperymenty na ziemniakach we wczesnej fazie wegetacji. W tym czasie utrzymywała się fala upałów, które przez cztery dni utrzymywały co najmniej 35 st. C, dwukrotnie przekraczając 38 st. C. Po kilku dniach lekkiego spadku temperatury ponownie sięgnęły niemal 38 stopni.

Co działo się z ziemniakami w tym upale? Zamiast zmarnieć - zmodyfikowane rośliny wytwarzały o 30 proc. więcej bulw niż ziemniaki z grupy kontrolnej, w pełni wykorzystując przewagę związaną lepszą wydajnością fotosyntetyczną i zwiększoną tolerancją na temperatury.

"Modyfikacja procesu fotosyntezy, która zapewniła większe plony, nie pogorszyła jakości odżywczej ziemniaków - informuje Don Ort z projektu RIPE. - W bezpieczeństwie żywności chodzi bowiem nie tylko o liczbę kalorii, jakie uzyskamy; trzeba też uwzględnić jakość". (PAP)

zan/ agt/