Οι επιστήμονες ανέπτυξαν μια τεχνική επεξεργασίας γονιδιώματος χλωροπλάστη που βελτιώνει σημαντικά τη φωτοσύνθεση και την ανάπτυξη των φυτών εισάγοντας ακριβείς αλλαγές στο ένζυμο Rubisco, το οποίο είναι μια βασική αλλά σχετικά αναποτελεσματική πρωτεΐνη που εμπλέκεται στη σταθεροποίηση του άνθρακα των φυτών. Η έρευνα, που δημοσιεύτηκε στοΕπικοινωνίες για τη φύση, απέδειξε ότι οι στοχευμένες επεξεργασίες αύξησαν τη φωτοσυνθετική απόδοση, την παραγωγή βιομάζας και την αποδοτικότητα χρήσης του νερού-στο μοντέλο εγκατάστασηςArabidopsis thaliana. Αυτά τα ευρήματα αναδεικνύουνένα πιθανό μονοπάτι για την ανάπτυξη πιο παραγωγικών καλλιεργειών υπό μελλοντικές κλιματικές συνθήκες.
Χρησιμοποιώντας τεχνολογία επεξεργασίας{0}}βάσης χλωροπλάστη, οι ερευνητές εισήγαγαν υποκαταστάσεις μεμονωμένων αμινοξέων στη μεγάλη υπομονάδα Rubisco χωρίς να ενσωματώσουν ξένο DNA στο γονιδίωμα του φυτού. Δύο συγκεκριμένες μεταλλάξεις, η M309I και η D397N, ενίσχυσαν την καταλυτική δραστηριότητα του ενζύμου, επιτρέποντας στα φυτά να αφομοιώσουν περισσότερο άνθρακα τόσο σε τρέχουσες όσο και σε προβλεπόμενες αυξημένες συγκεντρώσεις διοξειδίου του άνθρακα στην ατμόσφαιρα. Τα επεξεργασμένα φυτά εμφάνισαν αυξημένο μέγεθος βλαστών και ριζών, διευρυμένη επιφάνεια φύλλων και υψηλότερες αποδόσεις σπόρων, ενώ διατήρησαν κανονική περιεκτικότητα σε Rubisco και χλωροφύλλη.
Αυτά τα ευρήματα αντιμετωπίζουν μια μακροχρόνια πρόκληση στη βιοτεχνολογία των φυτών. Αν και το Rubisco είναι κεντρικό στη φωτοσύνθεση, ο σχετικά αργός καταλυτικός ρυθμός του έχει περιορίσει την παραγωγικότητα των καλλιεργειών για δεκαετίες. Προηγούμενες προσπάθειες επανασχεδιασμού ή αντικατάστασης του ενζύμου συχνά διέκοψαν τη συναρμολόγησή του ή μείωσαν την ανάπτυξη των φυτών. Αντίθετα, αυτή η μελέτη καταδεικνύει ότι μικρές, στοχευμένες τροποποιήσεις στο υπάρχον γονίδιο Rubisco μπορούν να βελτιώσουν την απόδοσή του διατηρώντας παράλληλα την κανονική ανάπτυξη των φυτών.
Οι ερευνητές παρατήρησαν επίσης ότι τα τροποποιημένα φυτά πέτυχαν υψηλότερη ενδογενή-αποτελεσματικότητα χρήσης του νερού, καθώς η φωτοσύνθεση αυξήθηκε χωρίς να απαιτείται μεγαλύτερο άνοιγμα του στομίου. Η κρυο-ηλεκτρονική μικροσκοπία αποκάλυψε ότι οι μεταλλάξεις άλλαξαν την ευελιξία των περιοχών που περιβάλλουν την ενεργή τοποθεσία του Rubisco, προσφέροντας νέες ιδέες για το πώς οι λεπτές δομικές αλλαγές μπορούν να βελτιώσουν τη λειτουργία των ενζύμων.
Οι συγγραφείς της μελέτης σημειώνουν ότι οι στοχευμένες θέσεις αμινοξέων διατηρούνται σε μεγάλο βαθμό σε πολλές γεωργικές καλλιέργειες, υποδεικνύοντας ότι αυτή η προσέγγιση θα μπορούσε να είναι ευρέως εφαρμόσιμη πέρα απόArabidopsis. Καθώς οι ατμοσφαιρικές συγκεντρώσεις CO2 συνεχίζουν να αυξάνονται, οι παραλλαγές Rubisco με ταχύτερους καταλυτικούς ρυθμούς μπορεί να επιτρέψουν στις καλλιέργειες να διατηρήσουν την παραγωγικότητα ενώ χρησιμοποιούν το νερό πιο αποτελεσματικά κάτω από ολοένα και πιο δύσκολες συνθήκες καλλιέργειας.
Επειδή η διαδικασία επεξεργασίας χλωροπλάστη δεν αφήνει ξένο DNA στα τελικά φυτά μετά την αναπαραγωγή, οι ερευνητές προτείνουν ότι αυτή η τεχνολογία θα μπορούσε να παρακάμψει ορισμένους ρυθμιστικούς φραγμούς που σχετίζονται με συμβατικές γενετικά τροποποιημένες καλλιέργειες σε χώρες που αναγνωρίζουν φυτά χωρίς γονίδια-επεξεργασμένα, χωρίς διαγονίδια{{1} στο αναδυόμενο πλαίσιο μη-ΓΤΟ.
