더 나은 광합성은 식량 작물의 수확량을 증가시킵니다 - ScienceDaily

처음으로 RIPE 연구원들은 광합성의 다중 유전자 생물 공학이 현장 시험에서 주요 식량 작물의 수확량을 증가시킨다는 것을 입증했습니다. 이 목표를 위해 10년 이상 노력한 끝에 일리노이 대학이 이끄는 공동 팀은 광합성 효율을 높이기 위해 대두 식물을 형질전환하여 품질 손실 없이 더 많은 수확량을 얻었습니다.

이보다 더 중요한 시기에 이러한 규모의 결과를 얻을 수 없습니다. 가장 최근의 UN 보고서인 2022년 세계 식량 안보 및 영양 상태(State of Food Security and Nutrition in the World)는 2021년에 세계 인구의 거의 10%가 굶주리고 있다고 밝혔습니다. 규모의 글로벌 건강. 유니세프(UNICEF)에 따르면 2030년까지 6억 6천만 명 이상이 식량 부족과 영양실조에 직면할 것으로 예상됩니다. 이에 대한 두 가지 주요 원인은 비효율적인 식량 공급망(식량에 대한 접근)과 기후 변화로 인한 작물 재배 조건의 악화입니다. 빈곤 지역에서 식량에 대한 접근성을 개선하고 식량 작물의 지속 가능성을 개선하는 것이 이 연구와 RIPE 프로젝트의 주요 목표입니다.

광합성 효율 향상(RIPE) 실현은 Bill & Melinda Gates Foundation, Foundation for Food & Agriculture의 지원을 받아 사하라 사막 이남 아프리카의 소규모 자작농을 위한 식량 작물의 광합성 효율을 개선하여 전 세계 식량 생산량을 늘리는 것을 목표로 하는 국제 연구 프로젝트입니다. 연구, 영국 외무부 및 개발 사무소.

RIPE 프로젝트 연구 과학자이자 주저자인 Amanda De Souza는 “식량 부족으로 영향을 받는 사람들의 수가 계속해서 증가하고 있으며 예측에 따르면 경로를 변경하려면 식량 공급 수준의 변화가 필요함을 분명히 보여줍니다.”라고 말했습니다. “우리의 연구는 생산에 투입되는 더 많은 토지를 피하면서 식량 안보를 가장 필요로 하는 사람들을 위해 식량 안보에 기여할 수 있는 효과적인 방법을 보여줍니다. 광합성을 개선하는 것은 수확량 잠재력에서 필요한 점프를 얻을 수 있는 주요 기회입니다.”

모든 식물이 햇빛을 에너지와 수확량으로 변환하는 데 사용하는 자연적인 과정인 광합성은 RIPE 연구원들이 10년 이상 개선하기 위해 노력해 온 놀랍도록 비효율적인 100개 이상의 단계 과정입니다. 최근에 출판된 이 최초의 작업에서 과학그룹은 광합성을 개선하기 위해 대두 식물 내의 VPZ 구조를 개선한 다음, 그 결과 수확량이 개선되는지 확인하기 위해 현장 시험을 수행했습니다.

VPZ 구조는 식물의 광보호를 돕는 색소 주기인 크산토필 주기의 단백질을 암호화하는 3개의 유전자를 포함합니다. 햇빛이 충분히 비치면 이 주기가 잎에서 활성화되어 잎이 손상되지 않도록 보호하여 잎이 과도한 에너지를 분산시킬 수 있습니다. 그러나 잎사귀가 그늘지면(다른 잎사귀, 구름 또는 하늘에서 움직이는 태양에 의해) 이 광보호 기능을 꺼야 잎이 햇빛을 비축해 광합성 과정을 계속할 수 있습니다. 식물이 보호 메커니즘을 끄는 데 몇 분이 걸리므로 광합성에 사용할 수 있는 귀중한 시간이 필요합니다.

VPZ 구성에서 3개 유전자의 과발현은 이 과정을 가속화하므로 잎이 빛에서 그늘로 전환될 때마다 광보호가 더 빨리 꺼집니다. 잎은 전체 성장 기간 동안 추가될 때 총 광합성 속도를 증가시키는 추가 광합성 시간을 얻습니다. 이 연구는 수확량이 20% 이상 증가했음에도 불구하고 종자 품질에 영향을 미치지 않았음을 보여주었습니다.

“높은 수확량에도 불구하고 종자 단백질 함량은 변하지 않았습니다. 이것은 개선된 광합성에서 얻은 추가 에너지의 일부가 식물의 결절에 있는 질소 고정 박테리아로 전환되었을 가능성이 있음을 시사합니다”라고 Ikenberry Endowed University 작물 과학 의장인 RIPE 소장 Stephen Long이 말했습니다. 및 일리노이주 Carl R. Woese 게놈 생물학 연구소의 식물 생물학.

연구자들은 작물의 유전자 변형이 쉽고 단일 식물에서 생산할 수 있는 종자의 양 때문에 담배 식물에서 그들의 아이디어를 먼저 테스트했습니다. 이러한 요인을 통해 연구자는 몇 달 안에 유전자 변형에서 현장 시험으로 이동할 수 있습니다. 담배에서 그 개념이 입증되자 그들은 유전학을 식용 작물인 대두에 적용하는 보다 복잡한 작업으로 옮겨갔습니다.

“이제 매우 다른 두 작물인 담배와 대두 모두에서 매우 실질적인 수확량 증가를 보인 것은 이것이 보편적으로 적용될 수 있음을 시사합니다”라고 Long이 말했습니다. “우리 연구는 수율 개선을 실현하는 것이 환경에 의해 크게 영향을 받는다는 것을 보여줍니다. 환경 전반에 걸쳐 이 결과의 반복성을 결정하고 이득의 환경 안정성을 보장하기 위해 추가 개선을 결정하는 것이 중요합니다.”

이러한 형질전환 대두 식물에 대한 추가 현장 테스트가 올해 수행되고 있으며 결과는 2023년 초에 예상됩니다.

De Souza는 “이 작업의 주요 영향은 우리가 광합성을 생명공학적으로 처리하고 수확량을 개선하여 주요 작물의 식량 생산을 증가시킬 수 있음을 보여주는 길을 여는 것입니다.”라고 말했습니다. “RIPE 프로젝트를 통해 뿌리내린 아이디어가 주요 식량작물의 수확량 향상을 위한 성공적인 수단이라는 확인의 시작이다.”

RIPE 프로젝트와 그 후원자들은 글로벌 접근을 보장하고 가장 필요한 농부들이 프로젝트의 기술을 사용할 수 있도록 하기 위해 최선을 다하고 있습니다.

Long은 “이것은 개인적으로 25년이 넘는 길이었습니다.”라고 말했습니다. “먼저 작물 광합성의 이론적 효율성에 대한 이론적 분석으로 시작하여 고성능 계산에 의한 전체 프로세스 시뮬레이션, 그 다음 우리 작물의 프로세스에서 여러 병목 현상을 나타내는 최적화 루틴의 적용으로 이어집니다. 지난 10년 동안의 자금 지원은 이제 우리는 이러한 표시된 병목 현상 중 일부의 완화를 설계하고 현장 규모에서 제품을 테스트할 수 있게 되었습니다. 수년간의 시행착오 끝에 팀을 위해 그러한 놀라운 결과를 보는 것은 놀랍도록 보람이 있습니다.”

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2022/08/220818141733.htm