Современное сельское хозяйство сталкивается с серьезными вызовами, связанными с необходимостью увеличения продуктивности культур в условиях растущего населения и климатических изменений. Одним из перспективных направлений решения этой проблемы является повышение эффективности фотосинтеза, и последние исследования цианобактерий предлагают революционный подход. Эти древние микроорганизмы обладают уникальной способностью адаптироваться к различным световым условиям, включая использование дальнего красного света (700−800 нм), который традиционные растения практически не поглощают.
Долгое время считалось, что 700 нм — это «красный предел» для фотосинтеза, поскольку большинство организмов, включая сельскохозяйственные культуры, используют лишь видимый спектр света (400−700 нм). Однако открытие цианобактерий, способных эффективно функционировать в ближнем инфракрасном диапазоне, изменило это представление. Оказалось, что эти микроорганизмы выработали механизмы, позволяющие им встраивать в свои фотосистемы особые хромофоры — хлорофиллы d и f, а также специфические фикобилипротеины, поглощающие дальний красный свет.
Это открытие, результаты которого опубликованы в Nature Communications, имеет весомое значение для сельского хозяйства. Расширение диапазона поглощаемого света позволит растениям использовать до 50% дополнительной солнечной энергии, которая ранее оставалась незадействованной. Также уменьшение размера светособирающих антенн, наблюдаемое у цианобактерий, предотвращает перевозбуждение верхних слоев растительного покрова. Это часто приводит к потере энергии. Поэтому свет будет проникать глубже, равномерно распределяясь по всей культуре и повышая общую продуктивность.
Особый интерес представляют два механизма фотоакклиматизации цианобактерий. Первый — адаптация к дальнему красному свету, при которой фотосистемы модифицируются для связывания хлорофиллов d и f, что не только расширяет спектр поглощения, но и оптимизирует размер антенн. Второй — адаптация к слабому освещению, при которой специальные белки аллофикоцианины связываются с фотосистемой I (PSI), увеличивая ее эффективность. Эти механизмы могут быть воспроизведены в сельскохозяйственных растениях с помощью методов генной инженерии, что позволит создать культуры с повышенной урожайностью даже в условиях затенения или короткого светового дня.
Однако перед учеными стоят серьезные задачи. Одна из них — точное понимание того, как цианобактерии регулируют связывание хлорофиллов с фотосистемами. Пока этот процесс изучен недостаточно, что затрудняет его перенос в другие организмы. Кроме того, необходимо расширить диапазон поглощаемого дальнего красного света, чтобы захватывать еще больше солнечной энергии.
Несмотря на эти сложности, потенциал открытия огромен. Внедрение механизмов фотоакклиматизации цианобактерий в сельскохозяйственные культуры может стать прорывом в борьбе за продовольственную безопасность. Уже сейчас ведутся работы по созданию растений с модифицированными фотосистемами, способными использовать более широкий спектр света. В будущем это может привести к появлению сортов, устойчивых к низкой освещенности и обладающих повышенной продуктивностью.
Напомним, студенты разработали ИИ-сервис для автоматизации отчетов агрономов.
