Zapljusnut u zaveslanom moru svoje braće, list kukuruza spušten na najnižu prečku svoje stabljike provodi veći deo junskog popodneva u senci koju bacaju viši vrhovi.
Tada nalet počinje da gura, vuče i okreće voštana krila u harmoniji, razbijajući prozor prema vatrenoj kugli koja se vrti 93 miliona milja daleko. To je glavna, dragocena prilika za fotosintezu da transformiše sunčevu svetlost u hranu. Nažalost, fotosintetički ekvivalent štitnika od prenapona – jedan je evoluirao da pomogne biljkama da ublaže štetu izazvanu iznenadnim naletima svetlosti visokog intenziteta – sporo se resetuje nakon toliko vremena u senci. Nalet se raspršuje, trenutak koji je prošao pre nego što list i njegova ćelijska kuhinja mogu da iskoriste.
Te minute vredne letnje, ali propuštene prilike za žetvu svetlosti, mogu koštati polja kukuruza, a one koji ih obrađuju, značajan deo potencijalne žetve koju daju u jesen. Nedavno identifikovanjem i merenjem uticaja novih gena koji regulišu zaštitu od prenapona, Kasia Glovacka i kolege sa Univerziteta Nebraska-Lincoln mogli bi da pomognu da se ti prinosi povećaju za više od 20%.
Što ne umanjuje važnost zaštite, koja se zove nefotohemijsko gašenje, ili NPK, i može da transformiše svetlost u toplotu kad god biljka apsorbuje više prethodnog nego što može da uloži u fotosintezu. Neuspeh da se preseče biohemijsko kolo, na kraju krajeva, može dovesti do toksičnog nakupljanja ultra-reaktivnog kiseonika koji oštećuje DNK i čak može da ubije ćeliju. Ali bezbednosna mera ima lošu stranu: što se sporije opušta i nastavlja da apsorbovana svetlost podstiče fotosintezu, više te svetlosti koja daje energiju troši.
„Kada razmišljate iz perspektive hloroplasta u biljnoj ćeliji, život je zaista težak“, rekla je Glovacka, docentica biohemije u Nebraski. „Svakih nekoliko sekundi, okruženje se menja.
Godine 2016, Glovacka je doprinela studiji koja je pokazala da je povećanje aktivnosti tri određena gena omogućilo biljkama duvana da uključuju i isključuju NPK mnogo bržim tempom, obezbeđujući mu bolju zaštitu i efikasniju fotosintezu. Taj duvan je, zauzvrat, proizveo listove otprilike 20% veće, a simulacije sugerišu da bi još veći dobici mogli biti mogući. Naknadno istraživanje je pokazalo da bi ista tehnika mogla da generiše slične prednosti u soji – ne samo za lišće, već i za pasulj.
Ali duvan i soja koriste drugačiji oblik fotosinteze od kukuruza, sirka, šećerne trske i nekoliko drugih useva koji su bolje prilagođeni toplim i suvim uslovima — usevi čiji se prinosi moraju povećati da bi pomogli da se prehrani 10 milijardi ljudi za koje se očekuje da će naseliti svet do 2050. Glovacka se pitao da li geni koji su kodirali NPK aktivnost u jednoj mogu igrati istu ulogu u drugoj. Čak i da jesu, Glovacka i Džejms Šnabl iz Nebraske su zaključili da moraju postojati drugi geni koji pomažu procesu koji je tako složen kao NPK.
Bili su u pravu. Njihovo otkriće počelo je radom na poljima tokom leta 2020. i 2021. godine, kada je tim zasadio više od 700 genetski različitih linija kukuruza na farmi Havelock Research u severoistočnom Linkolnu. Glovackin plan: potražite razlike u NPK performansama među linijama, a zatim pokušajte da otkrijete koji su geni na kraju odgovorni za te razlike. Ipak, Glovacka je znao da su postojeće metode za merenje NPK skupe i dugotrajne. Više od toga, borili su se da izjednače dnevne disparitete u izloženosti svake linije svetlosti, potencijalno kvareći validnost bilo kakvih nalaza.
Umesto da se smiri, Glovacka je razvila sopstvenu metodu. Tim je koristio modifikovani bušenje rupa da izvuče male uzorke iz listova svake linije na terenu. Vrativši se u laboratoriju, istraživači su uzorcima tkiva dali skoro jedan dan da se prilagode mraku, na kraju su izmerili njihovu fluorescenciju – proksi za fotosintezu i NPK – pre i posle izlaganja blescima svetlosti. Umesto da meri jedan uzorak svakih 20 minuta, tim je bio u mogućnosti da obradi 96 uzoraka u istom rasponu.
Istraživači su otkrili da brzina i veličina NPK odgovora uveliko variraju među linijama, što je činjenica koja je pomogla da se olakša potraga za bilo kojim novim genima koji bi potencijalno pokretali tu varijaciju u kukuruzu. Poređenje genetskog koda linija, ukršteno u odnosu na razlike u performansama NPK, na kraju je otkrilo šest obećavajućih kandidata za gen. Nekoliko od tih kandidata je već bilo poznato timu. Drugi nisu – uključujući onaj koji se zove PSI3, koji je uveo više te varijacije nego bilo koji drugi kandidat.
Nakon što je identifikovao pandane tih šest gena u Arabidopsisu, cvetnoj biljci koja se obično koristi za proučavanje biljne biologije, tim je nastavio da naruči mutante: semena Arabidopsisa kojima nedostaje jedan od šest gena. Kod svih šest mutanata, zaštitnik od prenapona je generalno bio spor da reaguje pod svetlima, ali i sporije da se opusti kada se svetla ugase. Vrhovi NPK-a su takođe obično bili niži, a donja veća, što sugeriše da su biljke manje puferovale protiv prenapona i trošile više svetlosti dostupnog za fotosintezu.
Identifikacija tih gena, u kombinaciji sa količinom prirodne varijacije NPK u linijama kukuruza, mogla bi otvoriti put za uzgoj biljaka daleko bolje u kapitalizaciji sunčeve svetlosti koja povećava prinos, rekli su istraživači. U najboljem slučaju, rekao je Šnabl, ti napori bi mogli da urode plodom za samo pola tuceta godina.
Ako to urade, rezultati bi mogli da se pokažu kao blagodat za uzgajivače useva koji sada istražuju sve i sve mogućnosti da spreče globalnu nestašicu hrane u narednim decenijama.
„Možemo da dobijemo 22% tog prinosa od useva, potencijalno, ako bismo ubrzali NPK“, rekao je Glovacka.
S obzirom na to da su istraživači započeli studiju početkom 2020. godine, njihovi pokušaji da pomognu u zaustavljanju predstojeće globalne krize značili su suočavanje sa savremenom. Dvojica članova tima, Seema Sahai i Marcin Grzibovski, tek su nedavno stigli u Sjedinjene Države — dovoljno nedavno da nijedan još nije dobio vozačku dozvolu. Pre COVID-19, njih dvoje su se vozili do istraživačke farme Havelock.
Univerzitetski protokoli dizajnirani da uspore širenje virusa, međutim, privremeno stavljaju tu opciju na čekanje. Bez straha, Sahai i Grzibovski su redovno pribegavali vožnji biciklom otprilike sedam milja do istraživačke farme – 30-minutni put usred vrućine i vlažnosti leta u Nebraski.
„Seema i Marcin“, rekao je Glovacka, „su pravi junaci ovog eksperimenta.“
