Gli scienziati hanno sviluppato una tecnica di modifica del genoma dei cloroplasti che migliora significativamente la fotosintesi e la crescita delle piante introducendo modifiche precise all'enzima Rubisco, che è una proteina chiave ma relativamente inefficiente coinvolta nella fissazione del carbonio delle piante. La ricerca, pubblicata inComunicazioni sulla natura, hanno dimostrato che modifiche mirate hanno aumentato le prestazioni fotosintetiche, la produzione di biomassa e l'efficienza nell'uso dell'acqua-nell'impianto modelloArabidopsis thaliana. Questi risultati evidenzianoun potenziale percorso per lo sviluppo di colture più produttive nelle future condizioni climatiche.
Utilizzando la tecnologia di modifica delle basi dei cloroplasti-, i ricercatori hanno introdotto sostituzioni di singoli aminoacidi nella subunità grande di Rubisco senza incorporare DNA estraneo nel genoma della pianta. Due mutazioni specifiche, M309I e D397N, hanno potenziato l'attività catalitica dell'enzima, consentendo alle piante di assimilare più carbonio in presenza di concentrazioni atmosferiche elevate di anidride carbonica, sia attuali che previste. Le piante modificate hanno mostrato un aumento delle dimensioni dei germogli e delle radici, un'area fogliare più estesa e una maggiore resa dei semi, pur mantenendo il normale contenuto di Rubisco e clorofilla.
Questi risultati affrontano una sfida di lunga data nel campo della biotecnologia vegetale. Sebbene il Rubisco sia fondamentale per la fotosintesi, il suo tasso catalitico relativamente lento ha limitato la produttività delle colture per decenni. Precedenti tentativi di riprogettare o sostituire l'enzima spesso ne interrompevano l'assemblaggio o riducevano la crescita delle piante. Al contrario, questo studio dimostra che piccole modifiche mirate al gene Rubisco esistente possono migliorarne le prestazioni preservando il normale sviluppo della pianta.
I ricercatori hanno anche osservato che le piante modificate raggiungevano un'efficienza intrinseca nell'uso dell'acqua-più elevata, poiché la fotosintesi aumentava senza richiedere una maggiore apertura stomatica. La crio-microscopia elettronica ha rivelato che le mutazioni alteravano la flessibilità delle regioni circostanti il sito attivo di Rubisco, offrendo nuove informazioni su come sottili cambiamenti strutturali possano migliorare la funzione enzimatica.
Gli autori dello studio notano che le posizioni degli aminoacidi target sono altamente conservate in molte colture agricole, indicando che questo approccio potrebbe essere ampiamente applicabile oltreArabidopsis. Poiché le concentrazioni atmosferiche di CO₂ continuano ad aumentare, le varianti di Rubisco con velocità catalitiche più elevate possono consentire alle colture di mantenere la produttività utilizzando l’acqua in modo più efficiente in condizioni di crescita sempre più difficili.
Poiché il processo di editing dei cloroplasti non lascia DNA estraneo nelle piante finali dopo la riproduzione, i ricercatori suggeriscono che questa tecnologia potrebbe aggirare alcune barriere normative associate alle colture geneticamente modificate convenzionali nei paesi che riconoscono le piante prive di transgeni-modificate e transgeniche-nell'ambito dei quadri emergenti non-OGM.
