Forskere har utviklet en kloroplastgenomredigeringsteknikk som forbedrer fotosyntesen og planteveksten betraktelig ved å introdusere presise endringer i Rubisco-enzymet, som er et sentralt, men relativt ineffektivt protein involvert i plantekarbonfiksering. Forskningen, publisert iNaturkommunikasjon, demonstrerte at målrettede redigeringer økte fotosyntetisk ytelse, biomasseproduksjon og -vannbrukseffektivitet i modellanleggetArabidopsis thaliana. Disse funnene fremheveren potensiell vei for å utvikle mer produktive avlinger under fremtidige klimaforhold.
Ved å bruke kloroplastbase-redigeringsteknologi introduserte forskerne enkeltaminosyresubstitusjoner i den store Rubisco-underenheten uten å inkorporere fremmed DNA i plantegenomet. To spesifikke mutasjoner, M309I og D397N, forbedret enzymets katalytiske aktivitet, slik at planter kan assimilere mer karbon under både nåværende og anslått forhøyede atmosfæriske karbondioksidkonsentrasjoner. De redigerte plantene viste økt skudd- og rotstørrelse, utvidet bladareal og høyere frøutbytte samtidig som de opprettholdt normalt Rubisco- og klorofyllinnhold.
Disse funnene adresserer en langvarig utfordring innen plantebioteknologi. Selv om Rubisco er sentral i fotosyntesen, har dens relativt langsomme katalytiske hastighet begrenset avlingsproduktiviteten i flere tiår. Tidligere forsøk på å redesigne eller erstatte enzymet forstyrret ofte sammenstillingen eller reduserte planteveksten. I motsetning til dette viser denne studien at små, målrettede modifikasjoner av det eksisterende Rubisco-genet kan forbedre ytelsen samtidig som den bevarer normal planteutvikling.
Forskerne observerte også at de modifiserte plantene oppnådde høyere egenvannbrukseffektivitet-, ettersom fotosyntesen økte uten at det var nødvendig med større stomatal åpning. Kryo-elektronmikroskopi avslørte at mutasjonene endret fleksibiliteten til regionene rundt Rubiscos aktive nettsted, og ga ny innsikt i hvordan subtile strukturelle endringer kan forbedre enzymfunksjonen.
Studieforfatterne bemerker at de målrettede aminosyreposisjonene er sterkt bevart på tvers av mange landbruksavlinger, noe som indikerer at denne tilnærmingen kan være bredt anvendelig utoverArabidopsis. Ettersom atmosfæriske CO₂-konsentrasjoner fortsetter å stige, kan Rubisco-varianter med raskere katalytiske hastigheter gjøre det mulig for avlinger å opprettholde produktiviteten mens de bruker vann mer effektivt under stadig mer utfordrende vekstforhold.
Fordi kloroplastredigeringsprosessen ikke etterlater fremmed DNA i de endelige plantene etter avl, foreslår forskerne at denne teknologien kan omgå visse regulatoriske barrierer knyttet til konvensjonelle genmodifiserte avlinger i land som anerkjenner gen-redigerte, transgene-frie planter under nye ikke-GMO-rammer.
