Ученые создали растения с удвоенной способностью поглощать углерод

C2-центричная система двойного цикла фиксации углерода в Arabidopsis. Автор: Science (2025). DOI: 10.1126/science.adp3528

Обычно растения полагаются на цикл Кальвина-Бенсона-Бассама (CBB) для преобразования атмосферного углекислого газа в органические вещества для роста. Хотя этот цикл является основным путем фиксации углерода у всех растений на Земле, он удивительно неэффективен — теряет треть углерода при синтезе молекулы ацетил-кофермента А (CoA) для генерации липидов, фитогормонов и метаболитов. Растения также теряют углерод во время фотодыхания, что ограничивает их рост. Это во многом связано с неэффективностью фермента под названием RuBisCO.

В попытках увеличить поглощение углерода и уменьшить его потерю у растений для повышения биомассы и производства липидов ученые экспериментировали с повышением эффективности RuBisCO, сверхэкспрессией ферментов цикла CBB, введением механизмов концентрирования углерода и снижением потерь от фотодыхания. Однако новое исследование, опубликованное в Science, сосредоточено на новом подходе — создании совершенно нового пути поглощения углерода.

Исследователи внедрили синтетический цикл поглощения CO₂ в растение Arabidopsis thaliana (Резуховидка Таля). Они называют созданный цикл малил-КоА-глицератным (McG) циклом, который работает совместно с циклом CBB, создавая систему двойной фиксации CO₂. Новый цикл повышает эффективность за счет использования ранее теряемого углерода.

«В цикле McG фиксируется один дополнительный атом углерода, когда на входе используется 3PG, или не теряется углерод, когда на входе используется гликолат. В обоих случаях ацетил-КоА производится более эффективно, что, как ожидается, усилит производство липидов и других важных растительных метаболитов, включая фитогормоны», — пишут авторы.

Для тестирования цикла McG команда экспрессировала шесть гетерологичных ферментов в хлоропластах Arabidopsis. Результаты оказались впечатляющими. Растения с установленным циклом McG выросли крупнее — до трех раз по сухому весу — и увеличили количество листьев и семян, а также показали более высокое содержание липидов по сравнению с дикими сородичами. Триглицериды у растений McG достигли количества, в 100 раз превышающего норму. Содержание липидов было настолько высоким, что растения формировали внутри клеток специальные карманы для хранения избыточных жиров.

Цикл McG повысил эффективность как за счет снижения потерь CO₂ при фотодыхании, так и за счет усиления производства ацетил-КоА. В общей сложности скорость ассимиляции CO₂ приблизительно удвоилась.

Хотя результаты обнадеживают, последствия таких изменений все еще неясны. Исследователи отмечают, что эффекты цикла McG в этом эксперименте «не обязательно переносимы на сельскохозяйственные культуры, а сверхэкспрессия гетерологичных генов может подавляться в последующих поколениях». Также возможно, что повышенное поглощение углерода может быть лишь временным, поскольку углерод потенциально высвобождается сразу после гибели растений. Долгосрочная стабильность и экологическое воздействие модификации McG также неизвестны.

Тем не менее, при дальнейших исследованиях и тестировании эти результаты могут потенциально увеличить урожайность культур и производство масла для пищевых продуктов и биотоплива, а также способствовать секвестрации углерода и смягчению последствий изменения климата за счет усиленного роста растений.

Больше информации: Kuan-Jen Lu et al, Dual-cycle CO₂ fixation enhances growth and lipid synthesis in Arabidopsis thaliana, Science (2025). DOI: 10.1126/science.adp3528