Tutkijat ovat kehittäneet kloroplastin genomin muokkaustekniikan, joka parantaa merkittävästi fotosynteesiä ja kasvien kasvua tekemällä tarkkoja muutoksia Rubisco-entsyymiin, joka on keskeinen mutta suhteellisen tehoton proteiini, joka osallistuu kasvien hiilen sitomiseen. Tutkimus julkaistiin vuonnaLuontoviestintäosoitti, että kohdistetut muokkaukset lisäsivät fotosynteettistä suorituskykyä, biomassan tuotantoa ja veden{0}}käyttötehokkuutta mallilaitoksessaArabidopsis thaliana. Nämä havainnot korostavatmahdollinen tapa kehittää tuottavampia kasveja tulevissa ilmasto-olosuhteissa.
Kloroplastien emäs{0}}muokkausteknologian avulla tutkijat lisäsivät yksittäisiä aminohapposubstituutioita Rubiscon suureen alayksikköön sisällyttämättä vierasta DNA:ta kasvin genomiin. Kaksi spesifistä mutaatiota, M309I ja D397N, tehostivat entsyymin katalyyttistä aktiivisuutta, jolloin kasvit pystyivät imemään enemmän hiiltä sekä nykyisissä että ennustetuissa ilmakehän hiilidioksidipitoisuuksissa. Muokatuilla kasveilla oli lisääntynyt versojen ja juurien koko, laajentunut lehtipinta-ala ja korkeampi siemensato, samalla kun Rubisco- ja klorofyllipitoisuus säilyi normaalina.
Nämä havainnot käsittelevät kasvien bioteknologian pitkäaikaista haastetta. Vaikka Rubisco on keskeinen osa fotosynteesiä, sen suhteellisen hidas katalyyttinopeus on rajoittanut sadon tuottavuutta vuosikymmeniä. Aiemmat yritykset suunnitella tai korvata entsyymi usein häiritsivät sen kokoamista tai vähentävät kasvien kasvua. Sitä vastoin tämä tutkimus osoittaa, että pienet, kohdistetut muutokset olemassa olevaan Rubisco-geeniin voivat parantaa sen suorituskykyä säilyttäen samalla kasvien normaalin kehityksen.
Tutkijat havaitsivat myös, että muunnetuilla kasveilla saavutettiin korkeampi luontainen veden{0}}käyttötehokkuus, koska fotosynteesi lisääntyi ilman, että vatsa avautui enemmän. Kryo-elektronimikroskooppi paljasti, että mutaatiot muuttivat Rubiscon aktiivista kohtaa ympäröivien alueiden joustavuutta ja tarjosivat uusia näkemyksiä siitä, kuinka hienovaraiset rakenteelliset muutokset voivat parantaa entsyymien toimintaa.
Tutkimuksen tekijät huomauttavat, että kohdistetut aminohappoasemat ovat erittäin konservoituneita monissa viljelykasveissa, mikä osoittaa, että tätä lähestymistapaa voitaisiin soveltaa laajalti pidemmällekin kuinArabidopsis. Kun ilmakehän CO₂-pitoisuudet nousevat edelleen, Rubisco-versiot, joissa on nopeammat katalyyttiset nopeudet, voivat auttaa viljelykasveja säilyttämään tuottavuuden ja käyttämään vettä tehokkaammin yhä haastavammissa kasvuolosuhteissa.
Koska kloroplastien muokkausprosessi ei jätä vieraita DNA:ta lopullisiin kasveihin jalostuksen jälkeen, tutkijat ehdottavat, että tämä tekniikka voisi kiertää tiettyjä tavanomaisiin geneettisesti muunneltuihin viljelykasveihin liittyviä sääntelyesteitä maissa, jotka tunnistavat geeni-muokatut, siirtogeenit-vapaat kasvit kehittyvien ei--GMO-kehysten alla.
