بهبود فتوسنتز

در یک زیرزمین کم نور در دانشگاه ایلینویز در Urbana-Champaign ، نه چندان دور از یک قطعه زمین غلات آفتاب پرورده در مرکز کمپ دانشگاه ، یک اتاقک شکنجه برای گیاهان وجود دارد. کاملاً  بی ضرر به نظر می رسد: یک جعبه تخته سه لا به اندازه یک میز قهوه کوچک ، با هوایی که از میان یک لوله به داخل بیخته می شود و از یک سوراخ به اندازه مشت در درب بیرون می آید. جعبه دارای دو تایر است. قسمت بالا در بر دارنده نهال ها کوچک نُه روزه تنباکو، نه بزرگتر از ناخن شستتان ، است. قسمت زیر آن با آهک سودا لایه لایه ای شده است ، یک ماده دانه دانه ای ، مانند Kitty-Litter . این همان چیزی است که در زیردریایی ها برای ستردن دی اکسید کربن از هوا استفاده می کنند.
 
برای کسی که در یک زیردریایی است ، رهایی از دی اکسید کربن نجات دهنده زندگی است. برای گیاهان کوچک موجود در جعبه ، این یک حکم اعدام است - مگر اینکه ، آنها یک ترفند ژنتیکی محافظ را به ارث برده باشند. اگر یک نهال بتواند برای 24 ساعت آن را با تلاش از میدان به در کند و با کلروپلاست هایش غیرمتموج پدیدار شود ، در آن صورت دانشمندان دانشگاه ایلینویز می دانند که چیز خاصی به دست آورده اند.
 
گیاهان فقط به سه جزء اساسی - آفتاب ، آب و دی اکسید کربن موجود در هوا - برای ایجاد قندهایی که در نهایت بیشتر زندگی در کره زمین را حفظ می کنند نیاز دارند. فتوسنتز باعث می شود که جهان ، چرخه ای باشد: اکسیژنی که تنفس می کنیم ، غذایی که می خوریم و سوختی که می سوزانیم را فراهم می کند. اما اگرچه یک چیز حیرت انگیز است ، فتوسنتز همچنین به طرز حیرت انگیزی ناکارآمد است. از مقدار معینی آفتاب ، بیشتر گیاهان کمتر از پنج درصد از انرژی نور را به زیست توده تبدیل می کنند و در برخی شرایط محیطی ، این مقدار به کوچکی یک درصد است.
 
و با این حال ، این ناکارآمدیِ بسیار دانشمندان را امیدوار می کند ، زیرا فضایی برای بهبود و راهی برای تأمین آینده بشر فراهم می کند. اگر گیاهان بتوانند فتوسنتز بهتر کنند ، رشد اضافی ممکن است به تغذیه نزدیک به 10 میلیارد نفر کمک کند که تخمین های سازمان ملل برای تعداد جمعیت انسانی این سیاره تا سال 2050 است. و این می تواند به جبران دیگر چالش های قابل انتظار کمک کند از جمله: شیفت های جهانی مربوط به رژیم غذایی به سمت گوشت و لبنیات ، یک افزایش در تقاضا برای سوخت های زیستی که زمین کمتری برای رشد مواد غذایی در اختیار شما قرار می دهد ، و چشم اندازی داغ تر که در بسیاری از مهارت های فتوسنتز کردن محصولات زراعی مداخله خواهد کرد. از مقدار معینی آفتاب ، بیشتر گیاهان کمتر از پنج درصد از انرژی نور را به زیست توده تبدیل می کنند تونی فیشر ، دانشمند کشاورزی از سازمان تحقیقات علمی و صنعتی مشترک المنافع در استرالیا ، می گوید: "عدم اطمینان زیادی در مورد چگونگی دستیابی به افزایش های محصول مورد نیاز در آینده وجود دارد." "ما باید همه ابزارهای موجود در جعبه ابزار را امتحان کنیم."
 
بخشی از راه حل ممکن است در یک نهال کوچک در حال نفس نفس زدن برای هوا ، هم اکنون ، در آن جعبه زیر زمین ایلینویز قرار داشته باشد.
 

ابزارهای سنتی بهبود محصول در حال حاضر منجر به جهش های خارق العاده ای در تولید محصول شده است. با شروع از دهه‌ی 1920 ، پرورش دهندگان گیاه گیاهانی را ایجاد کردند که نه تنها سریع تر رشد می کردند و امکان کاشت گیاهان بیشتری در هر فصل را فراهم می کردند بلکه همچنین کالری بیشتری برای خوردن تولید می کردند. این دستاوردها ، که بخشی از ابتکار عمل کشاورزی بزرگتری با نام انقلاب سبز است ، تا حدی با انتخاب دو خصیصه حاصل شد: گیاهانی با برگ هایی که هر چه ممکن است بیشتر جلو نور قرار می گیرند ، و گیاهانی که هر چه ممکن است زیست توده بیشتری را درون دانه های خوراکی هدایت می کنند. انواع برتر دانه های سویای امروزی نزدیک به 90 درصد از آفتاب موجود را می گیرند و 60 درصد از زیست توده خود را در دانه توده می کنند. گندم و برنج نیز ترقی سنگینی را در محصول تجربه کردند.
 
اما دستاوردها به یک سقف نزدیک می شوند - نهایتاً یک گیاه نمی تواند چیزی جز بذر باشد. کجا ممکن است دانشمندانِ محصولات زراعی چرخش داشته باشند؟ دون اورت ، یک زیست شناس گیاهی در پردیس Urbana-Champaign ، می گوید: ناکارآیی های فتوسنتز یک انتخاب بدیهی است. انقلاب سبز از عهده برطرف کردن این نقیصه بر نیامد. پرورش گیاهان مرسوم ، تنوع طبیعی را مهار می کند ، و گیاهانی را که دارای خصوصیات مورد علاقه هستند جستجو می کند: خصوصیاتی مانند بذرهایی کمی بزرگتر از همسایگان خود ، یا ساقه هایی که به طور قابل توجهی کوتاه تر هستند. اورت می گوید ، اما این استراتژی برای فتوسنتز کار نمی کند. ماشین آلات فتوسنتزی بیشتر گیاهان تقریباً با یک سرعت لِک و لِک می کنند.
 
با این وجود ، تحقیقاتی که زمینه سازی مقابله با این ناکارآمدی ها را فراهم می آورد ، طی دهه های گذشته در دانشگاه ایلینویز در دست اقدام بودند. در سال 1965 ، وزارت زراعت ایالات متحده ویلیام اوگرن را برای کار در کمپ استخدام کرد و به دنبال بهبود فتوسنتز سویا بود. این شیمیدان با اخلاق به انجام تحقیقات پیشگامانه ای منتهی می شود که استارت سال های آتشینی را در زیست شناسی گیاهی می زند.
 
اوگرن - و بخش اعظم جامعه فیزیولوژی گیاه - مجذوب آنچه که ظاهراً یک درخشش عمده در فتوسنتز است شد. در شرایط خاص ، گیاهان یک ترکیب سمی به نام گلیکولات تولید می کنند. گیاهان آن را می سازند ، اما به دلیل سمی بودن آن مجبور به انهدام آن هستند. ساختن و سپس پاک کردن گلیکولات - فرآیندی به نام تنفس نوری(photorespasion)  - یک اتلاف یا هرزروی عمده است که منجر به واکنش هایی شیمیایی می شود که کربن ارزشمند را به هوا باز می گردانند. بنابراین چه عواملی باعث شده است که گیاهان در ابتدا گلیکولات بسازند؟ اوگرن و محقق پسا دکترایش ، جورج بوز ، این مقصر را کشف کردند: آنزیم مسئول یکی از اولین مراحل فتوسنتز، که آنها سپس اقداماتی را برای دور زدن آن صورت دادند.
 
منبع: راشل ارِنبرگ