Oplavljen u razigranom moru svoje braće, list kukuruza spušten na najnižu prečku svoje stabljike provodi veći dio lipanjskog poslijepodneva u hladovini koju bacaju viši.
Tada nalet vjetra počinje gurati, povlačiti i uvijati voštana krila zajedno, otvarajući prozor vatrenoj kugli koja se vrti 93 milijuna milja daleko. To je vrhunska, dragocjena prilika da fotosinteza pretvori sunčevu svjetlost u hranu. Nažalost, fotosintetski ekvivalent prenaponske zaštite - one koja je evoluirala da pomogne biljkama ublažiti štetu izazvanu iznenadnim skokovima svjetlosti visokog intenziteta - sporo se vraća nakon toliko vremena u sjeni. Nalet se raspršuje, trenutak je prošao prije no što list i njegova stanična kuhinja mogu iskoristiti prednost.
Ljeto vrijedno tih minuta, ali propuštenih prilika za laganu žetvu može koštati kukuruzna polja, a one koji ih uzgajaju, značajnog dijela potencijalnih žetvi koje ostvare u jesen. Nedavnom identifikacijom i mjerenjem utjecaja novih geni koji reguliraju zaštitu od prenapona, Kasia Glowacka sa Sveučilišta Nebraska–Lincoln i kolege mogli bi pomoći povećati te prinose za više od 20%.
Što ne umanjuje važnost zaštite, koja se zove nefotokemijsko gašenje, ili NPQ, i može transformirati svjetlost u toplinu kad god biljka apsorbira više od prve nego što može staviti u fotosintezu. Neuspjeh da se prekine biokemijski krug, naposljetku, može dovesti do toksičnog nakupljanja ultra-reaktivnog kisika koji oštećuje DNK i može čak ubiti stanicu. Ali sigurnosna mjera ima lošu stranu: što se sporije opušta i nastavlja dopuštati fotosintezi da potakne apsorbirano svjetlo, to više rasipa svjetlost koja daje energiju.
“Kada razmišljate iz perspektive kloroplasta u a biljna stanica, život je stvarno težak,” rekla je Glowacka, docentica biokemije na Nebraski. “Svakih nekoliko sekundi, okolina se mijenja.”
Godine 2016. Glowacka je pridonijela studiji koja je pokazala da je pojačanje aktivnosti tri određena gena omogućilo biljke duhana za uključivanje i isključivanje NPQ puno bržim tempom, osiguravajući mu bolju zaštitu i učinkovitiju fotosintezu. Taj je duhan, zauzvrat, proizveo otprilike 20% veće listove, a simulacije sugeriraju da su mogući čak i veći dobici. Naknadno istraživanje pokazalo je da ista tehnika može proizvesti slične dobrobiti u soji - ne samo za lišće, već i za grah.
Ali duhan i soja koriste drugačiji oblik fotosinteze od kukuruza, sirka, šećerne trske i nekoliko drugih usjeva koji su bolje prilagođeni vrućim i suhim uvjetima - usjevi čiji se prinosi moraju povećati kako bi se prehranilo 10 milijardi ljudi za koje se očekuje da će naseliti planetu do 2050. Glowacka se pitala mogu li geni koji kodiraju aktivnost NPQ u jednoj igrati istu ulogu u drugoj. Čak i da jesu, Glowacka i James Schnable iz Nebraske zaključili su da moraju postojati drugi geni koji pomažu tako složen proces kao što je NPQ.
Imali su pravo. Njihovo otkriće započelo je radom na poljima tijekom ljeta 2020. i 2021., kada je tim zasadio više od 700 genetski različitih linija kukuruza na istraživačkoj farmi Havelock u sjeveroistočnom Lincolnu. Glowackin plan: potražite razlike u performansama NPQ među linijama, zatim pokušajte otkriti koji su geni u konačnici odgovorni za te razlike. Ipak, Glowacka je znao da su postojeće metode za mjerenje NPQ skupe i dugotrajne. Štoviše, borili su se da izravnaju dnevne razlike u izloženosti svake linije svjetlu, potencijalno kvareći valjanost svih nalaza.
Umjesto da se nagodi, Glowacka je razvila vlastitu metodu. Tim je upotrijebio modificiranu bušilicu za izvlačenje sićušnih uzoraka iz lišća svake linije na terenu. U laboratoriju, istraživači su uzorcima tkiva dali gotovo jedan dan da se prilagode mraku, na kraju izmjerivši njihovu fluorescenciju - zamjenu za fotosintezu i NPQ - prije i nakon izlaganja bljeskovima svjetla. Umjesto mjerenja jednog uzorka svakih 20 minuta, tim je uspio obraditi 96 uzoraka u istom rasponu.
Istraživači su otkrili da brzina i veličina NPQ odgovora uvelike varira među linijama, što je činjenica koja je pomogla olakšati potragu za svim novim genima koji potencijalno pokreću tu varijaciju u kukuruzu. Usporedba linija' genetski kod, u usporedbi s razlikama u izvedbi NPQ, na kraju je otkrio šest obećavajućih genskih kandidata. Nekoliko od tih kandidata već je bilo poznato timu. Drugi nisu - uključujući onaj nazvan PSI3, koji je uveo više te varijacije nego bilo koji drugi kandidat.
Nakon identificiranja kopija tih šest gena u Arabidopsisu, a cvjetnica obično se koristi za proučavanje biologija biljaka, tim je nastavio s naručivanjem mutanata: sjemenki Arabidopsis kojima nedostaje jedan od šest gena. U svih šest mutanata, zaštita od prenapona općenito je sporo reagirala pod svjetlima, ali se sporije opuštala kad su svjetla bila ugašena. Vršci NPQ također su tipično bili niži, a najniže vrijednosti više, što sugerira da su biljke manje otporne na udare i rasipale više svjetla dostupnog za fotosintezu.
Identifikacija tih gena, u kombinaciji s količinom prirodne varijacije NPQ među linijama kukuruza, mogla bi otvoriti put uzgoju bilje daleko bolji u iskorištavanju sunčeve svjetlosti koja povećava prinos, rekli su istraživači. U najboljem slučaju, rekao je Schnable, ti bi napori mogli uroditi plodom za samo šest godina.
Ako to učine, rezultati bi mogli biti od koristi za uzgajivače usjeva koji sada istražuju sve mogućnosti za sprječavanje globalne nestašice hrane u narednim desetljećima.
"Možemo dobiti 22% tog prinosa od usjeva, potencijalno, ako bismo ubrzali NPQ", rekao je Glowacka.
S obzirom na to da su istraživači započeli studiju početkom 2020., njihovi pokušaji da pomognu u zaustavljanju nadolazeće globalne krize značili su suočavanje sa suvremenom krizom. Dvoje članova tima, Seema Sahay i Marcin Grzybowski, tek su nedavno stigli u Sjedinjene Države - dovoljno nedavno da nijedan još nije dobio vozačku dozvolu. Prije COVID-a 19, njih dvoje bi se stopirali do istraživačke farme Havelock.
Ipak, sveučilišni protokoli osmišljeni za usporavanje širenja virusa privremeno su stavili tu opciju na čekanje. Nimalo pokolebani, Sahay i Grzybowski redovito su pribjegavali vožnji biciklom otprilike sedam milja do istraživačke farme - 30 i više minuta hodanja usred vrućine i vlage ljeta u Nebraski.
"Seema i Marcin", rekla je Glowacka, "pravi su heroji ovog eksperimenta."
Studija je objavljena u časopisu Novi fitolog.