Ryż C4

Niemiecki naukowiec i laureat Nagrody Nobla, Michel Hartmut określił mechanizm fotosyntezy jako najważniejszą reakcję chemiczną na Ziemi. Życie na naszej planecie jest uzależnione od tego procesu, także funkcjonowanie ludzkiego organizmu. Podczas fotosyntezy energia świetlna jest wykorzystywana do przekształcania dwutlenku węgla w różnego rodzaju cukry, które są elementami licznych szlaków metabolicznych, a następnie przekazywane poprzez łańcuch pokarmowy człowiekowi.

Większość roślin przeprowadza fotosyntezę typu C3, która jest „starszym” ewolucyjnie oraz mniej efektywnym sposobem asymilacji oraz konwersji dwutlenku węgla z atmosfery. Niektóre rośliny (np. kukurydza) wykształciły sprawniejszy mechanizm fotosyntezy – typu C4. W odróżnieniu od roślin typu C3, pierwszym akceptorem dwutlenku węgla u roślin C4 jest związek zawierający cztery atomy węgla (stąd nazwa C4). Mniejsza wydajność fotosyntezy C3 sprawia, iż rośliny ją przeprowadzające wykazują mniejsze tempo wzrostu oraz mniejszą produktywność w stosunku do roślin C4.

Ryż jest rośliną typu C3. Aż 90% konsumpcji i uprawy ryżu na świecie przypada na kraje azjatyckie. Każdy hektar upraw w tych krajach zapewnia wyżywienie 27 osobom. Do roku 2050 w wyniku wzrostu populacji na Ziemi oraz urbanizacji licznych obszarów, hektar tej samej ziemi będzie musiał wyżywić już 43 osoby. To oznacza, że jeśli chcemy uniknąć masowego problemu niedożywienia wśród mieszkańców Azji wydajność produkcji powinna zwiększyć się o ponad 50%. Zwiększenie wydajności produktywności ryżu o taką ilość w niecałe 40 lat wydaje się niemal niemożliwe.

Na ambitny pomysł wpadli naukowcy z Międzynarodowego Instytutu Badań nad Ryżem (IRRI). Naukowiec John Sheere oraz jego zespół wyznaczyli sobie za cel stworzenie ryżu, który przeprowadzać będzie fotosyntezę typu C4. Uzyskanie takiej rośliny wiąże się nie tylko ze zmianami w samym mechanizmie fotosyntezy ale również wymusza ingerencję w procesy fizjologiczne, a także zmiany w budowie anatomicznej liści. Przyznam, że jest to chyba jeden z najbardziej skomplikowanych projektów badawczych o jakich czytałem. By osiągnąć założony cel powołano specjalne konsorcjum w skład którego wchodzi 17 ośrodków naukowych z całego świata. Badania zapoczątkowano w 2009 roku. Projekt finansowany był początkowo przez Fundację Billa i Melindy Gates oraz IRRI. W kolejnych latach w finansowanie włączył się Rząd Wielkiej Brytani, Unia Europejska oraz CGIAR (Consultative Group on International Agricultural Research).

Uzyskanie ryżu C4 to nie tylko zwiększenie produktywności. Rośliny tego typu znacznie wydajniej wykorzystują wodę, co zmniejsza ich zapotrzebowanie na tą substancję. Jest to szczególnie istotne ze względu na stale kurczące się zasoby wody na Ziemi oraz możliwość uprawy tego typu odmian na obszarach o mniejszych opadach. Rośliny C4 absorbują również większe ilości dwutlenku węgla z atmosfery. Kolejną zaletą jest zwiększona efektywność przyswajania azotu o ok. 30%, co przyczyni się nie tylko do obniżenia kosztów uprawy ale ograniczy problem nadużywania nawozów w rolnictwie.

Na chwilę obecną naukowcy poinformowali, iż zidentyfikowano geny niezbędne do „złożenia” szlaku fotosyntezy typu C4 w ryżu, a 10 z 13 genów wprowadzono do roślin. Druga część projektu będzie polegać na ocenie i testowaniu pierwszych otrzymanych roślin. W listopadzie poinformowano, iż projekt zostanie zasilony kolejnymi 14 milionami dolarów przez Fundację Billa i Melindy Gates, Rząd Wielkiej Brytanii oraz IRRI. Umożliwi to kontynuację badań przez kolejne trzy lata.

Realizację projektu do momentu komercjalizacji oszacowano na 15 lat. Jeśli projekt zakończy się sukcesem, będzie ważnym krokiem w zapewnieniu bezpieczeństwa żywnościowego oraz ograniczeniu niedożywienia w biednych krajach azjatyckich, których populacja nieustannie wzrasta.

All about C4 Rice,
Using C4 photosynthesis to increase the yield of rice—rationale and feasibility