Vědci vyvinuli techniku úpravy genomu chloroplastů, která výrazně zlepšuje fotosyntézu a růst rostlin zavedením přesných změn enzymu Rubisco, což je klíčový, ale relativně neefektivní protein zapojený do fixace uhlíku rostlinami. Výzkum, publikovaný vPříroda komunikaceukázal, že cílené úpravy zvýšily výkon fotosyntézy, produkci biomasy a efektivitu využití vody-v modelové továrněArabidopsis thaliana. Tato zjištění zdůrazňujípotenciální cesta pro vývoj produktivnějších plodin v budoucích klimatických podmínkách.
Využitím technologie úpravy chloroplastových bází- vědci zavedli do velké podjednotky Rubisco substituce jednotlivých aminokyselin, aniž by do rostlinného genomu začlenili cizí DNA. Dvě specifické mutace, M309I a D397N, zvýšily katalytickou aktivitu enzymu a umožnily rostlinám asimilovat více uhlíku při současných i plánovaných zvýšených koncentracích oxidu uhličitého v atmosféře. Upravené rostliny vykazovaly zvýšenou velikost výhonků a kořenů, rozšířenou listovou plochu a vyšší výnosy semen při zachování normálního obsahu Rubisco a chlorofylu.
Tato zjištění řeší dlouhodobou výzvu v rostlinné biotechnologii. Přestože je Rubisco ústředním bodem fotosyntézy, jeho relativně pomalá katalytická rychlost omezuje produktivitu plodin po celá desetiletí. Předchozí pokusy o přepracování nebo nahrazení enzymu často narušily jeho sestavení nebo omezily růst rostlin. Na rozdíl od toho tato studie ukazuje, že malé, cílené modifikace existujícího genu Rubisco mohou zvýšit jeho výkon při zachování normálního vývoje rostlin.
Výzkumníci také pozorovali, že upravené rostliny dosáhly vyšší účinnosti využití vody-, protože se fotosyntéza zvýšila, aniž by bylo nutné větší otevření průduchů. Kryo-elektronová mikroskopie odhalila, že mutace změnily flexibilitu oblastí obklopujících aktivní místo Rubisco, což nabízí nový pohled na to, jak mohou jemné strukturální změny zlepšit funkci enzymů.
Autoři studie poznamenávají, že pozice cílových aminokyselin jsou vysoce konzervované u mnoha zemědělských plodin, což naznačuje, že tento přístup by mohl být široce použitelný i mimoArabidopsis. Vzhledem k tomu, že koncentrace CO₂ v atmosféře stále rostou, varianty Rubisco s rychlejší katalytickou rychlostí mohou plodinám umožnit udržet si produktivitu a zároveň efektivněji využívat vodu ve stále náročnějších podmínkách pěstování.
Vzhledem k tomu, že proces úpravy chloroplastů nezanechává v konečných rostlinách po šlechtění cizí DNA, vědci navrhují, že by tato technologie mohla obejít určité regulační bariéry spojené s konvenčními geneticky modifikovanými plodinami v zemích, které uznávají geny -upravené, transgenové- rostliny bez -GMO rámců.
