Od tysięcy lat rolnicy starali się wyhodować takie odmiany roślin, które dadzą więcej plonów. Od dekad z myślą o stale rosnącej populacji świata próbują tego również naukowcy. Zwykle takie metody genetycznych manipulacji są skomplikowane, a nowe odmiany dają zbiory większe raptem o kilka procent.

Tym razem naukowcom udało się coś rewolucyjnego. Wprowadzenie pojedynczego genu, kodującego białko nazywane FTO, sprawia, że rośliny – tak różne jak ryż i ziemniaki – przynoszą o połowę większe plony. Rosną też większe i są bardziej odporne na susze.

Zmiana genu to uniwersalna metoda zwiększenia produkcji roślinnej

– Zmiana jest naprawdę szokująca – mówi prof. Chuan He z University of Chicago, którego zespół prowadził badania od 2011 roku. – Co więcej, sposób ten działa w zasadzie u każdej rośliny, którą testowaliśmy, a modyfikacja jest naprawdę prosta do przeprowadzenia.

To daje możliwość manipulacji roślinami tak, by ulepszać ekosystemy w miarę postępu globalnego ocieplenia. Jesteśmy zależni od roślin w wielu sprawach: od drewna i żywności, prze leki, po paliwa. To odkrycie pozwoli na zwiększenie produkcji roślinnej z większości z nich – dodaje badacz.

Wtóruje mu noblista z dziedziny ekonomii Michael Kremer (również z Uniwersytetu w Chicago). – To bardzo ekscytująca technologia. Może przyczynić się do rozwiązania problemu biedy i głodu na świecie

Co zrobili badacze, by uzyskać rośliny dające o połowę większe plony?

Instrukcje zawarte w kodzie genetycznym komórki mogą zostać włączone lub wyłączone, gdy do poszczególnych genów dołączony zostanie niewielki związek chemiczny – grupa metylowa. Proces ten nazywa się metylacją genów.

Metylacja dotyczy nie tylko zapisu genetycznego w DNA. Występuje też w cząsteczkach mRNA. Cząsteczki mRNA działają jak posłańcy. Kopiują zawartą w DNA informację, a potem przenoszą ją do komórkowych fabryk białka - rybosomów. Tam według instrukcji zawartych w skopiowanym kodzie genetycznym powstają białka.

Prof. He wraz ze swoim doktorantem (obecnie wykładowcą Uniwersytetu Pekińskiego), Gufang Jia, od dekady bada, jak metylacja genów może wpływać na rośliny. Skupili się na białku FTO, które usuwa grupy metylowe z cząsteczek mRNA.

Badacze postanowili wszczepić roślinom gen, który owe białko koduje. Ku ich zdumieniu rosły znacznie bujniej i szybciej. – Wydaje mi się, że to właśnie wtedy zdaliśmy sobie wszyscy sprawę, że robimy coś niezwykłego – opowiada prof. He.

Ryż z genem kodującym białko FTO dawał w laboratorium trzykrotnie więcej ziaren. W testach w naturalnym środowisku przewaga nad niezmodyfikowanymi roślinami była już mniejsza. Jednak nadal rośliny rosły większe o połowę i dawały o połowę więcej nasion. Ich systemy korzeniowe były rozleglejsze, fotosynteza zachodziła w nich wydajniej, lepiej też znosiły niedobór wody.

Naukowcy postanowili powtórzyć eksperyment, tym razem z rośliną należącą do zupełnie innej rodziny – ziemniakami. Wyniki były takie same. – Sugerowało to, że odkryty przez nas mechanizm jest do pewnego stopnia uniwersalny, co było bardzo ekscytujące – mówi prof. He.

Co takiego robi gen FTO, że zwiększa plony o połowę?

Zrozumienie, co dzieje się z tak genetycznie zmodyfikowanymi roślinami zajęło naukowcom czas. Udał się jednak zbadać, że FTO wpływa na rozwój roślin na wczesnym etapie ich rozwoju, przyspieszając wzrost i zwiększając ich biomasę.

Naukowcy przypuszczają, że białko FTO kontroluje kluczowy w modyfikacji mRNA proces, zwany m6A. Sądzą, że białko usuwa pewne sygnały, które mówią roślinie, by zmniejszyła tempo wzrostu.

Przyrównują komórkową maszynerię do drogi, którą poruszają się samochody. Jeśli włączy się „zieloną falę”, drogą przejedzie więcej samochodów na godzinę. Podobnie działa białko FTO, które usuwa znaczniki ograniczające procesy kluczowe dla wzrostu rośliny.

Gen zwiększający plony i… masę ciała

Co ciekawe, białko FTO jest białkiem zwierzęcym (u ludzi kodują je geny umieszczone na 16. chromosomie). Niektóre warianty genu kodujące to białko związane są z otyłością – posiadacze dwóch kopii pewnego wariantu tego genu mają średnio o 3 kg większą masę ciała i pond półtorakrotnie większe ryzyko nadwagi. Wpływa to też na apetyt, bowiem osoby mające ten gen spożywają od 500 do ponad 1200 kcal dziennie więcej.

Najwyraźniej podobny mechanizm działa też u roślin. Usunięcie niektórych znaczników w mRNA sprawia, że rośliny mają większy „apetyt” i masę. Tyle, że efekt jest znacznie większy – i korzystniejszy z naszego punktu widzenia – niż u ludzi.

Modyfikacje roślin mają pomóc w rekultywacji obszarów pustynnych i zadrzewianiu

– Ta technika pozwala nam „wcisnąć włącznik” na wczesnym etapie rozwoju rośliny, co wpływa na jej rozmiar i plony nawet po usunięciu takiego włącznika. Następnym etapem będzie zbadanie, czy da się to zrobić wykorzystując własne geny roślin – mówi prof. He.

– Eksperymenty polowe pokazały, że da się ten efekt przeskalować. Mamy nadzieję na dalsze prace z naukowcami i przemysłem, żeby móc bezpiecznie stosować tę technologię na szeroką skalę – mówi uczony.

Prof. He dodaje, że większe i silniejsze rośliny to nie tylko klucz do wyżywienia stale rosnącej populacji świata. Przedstawia wizję, w której tereny zagrożone pustynnieniem możemy obsiać nowymi odmianami traw odpornymi na suszę i sadzić szybciej rosnące drzewa o mocniejszych korzeniach. Któż nie chciałby, żeby drzewo zasadzone pod domem urosło szybciej? – Jest tyle potencjalnych zastosowań – mówi He.

Źródła: University of Chicago, Nature Biotechnology.