Ruokaa riittäisi kasvavalle ihmiskunnalle, jos kasvit käyttäisivät valoa nykyistä tehokkaammin – Tutkijat yrittävät tehostaa yhteyttämistä geenejä siirtämällä

Maapallon väkiluku kasvaa ennusteiden mukaan kymmenen miljardiin vuosisadan puoliväliin mennessä. Ruuantuotanto pelloilla ei välttämättä lisäänny samaa vauhtia.

Niin sanotun vihreän vallankumouksen suurin kasvu on ohi. Viljelykasvien tuotanto kasvoi hurjasti 1960-luvun alusta alkaen vihreän vallankumouksen aikana­. Silloin alettiin käyttää lannoitteita ja torjunta-aineita. Jalostettiin tuottavampia lajikkeita.

Sadot kasvoivat nopeasti, mutta ruuantuotanto tuli riippuvaiseksi öljyllä käyvistä koneista ja laitteista, ehtyvistä fosforivarannoista, energiaa vaativista typpilannoitteista sekä torjunta-aineista.

Kasvu alkoi sitten hiipua. Maissin, riisin ja vehnän tuotannon kasvu on hidastunut 1990-luvulta lähtien.

Ihmiskunnan ruokkimiseksi maatalouden tuotannon pitäisi kasvaa 60–120 prosenttia vuoden 2005 määristä, arvioi Sciencehttp://science.sciencemag.org/content/sci/363/6422/eaat9077.full.pdf-tiedelehdessä viime vuonna julkaistu tutkimus.

Ilmastonmuutos, eroosio ja ympäristön pilaantuminen vähentävät viljelykelpoista maata. Jäljellä olevia metsiä ei voi hakata pelloksi, koska metsiä tarvitaan biodiversiteetin säilyttämiseksi ja hiilidioksidin sitomiseksi ilmastonmuutoksen hallinnassa.

Yksi keino olisi käyttää nykyistä suurempi osa pelloista viljelyyn eikä lihakarjan laitumina.

Lannoitteista, öljystä ja kasteluun käytettävästä makeasta vedestä on kuitenkin tulossa pula. Viljelyn tehostamisella alkaa olla kiire, koska kasveihin perustuva biotalous laajenee, kun niistä tuotetaan myös polttoaineita.

Uusi konsti voi olla se, että kasvit saadaan yhteyttämään nykyistä tehokkaammin, arvioi professori Donald Ort https://www.hs.fi/haku/?query=Illinoisiin yliopistosta. Se tarkoittaa, että kasvien pitäisi saada muuttamaan auringonvaloa tehokkaammin sokereiksi.

Tehostamalla tärkeiden viljelykasvien yhteyttämistä maapallo voisi ruokkia 200 miljoonaa ihmistä enemmän sillä kalorimäärällä, joka jää kasvamatta fotosynteesin tehottomuuden takia pelkästään Yhdysvaltojen keskilännessä. Se tarkoittaa käytännössä muuntogeenisiä viljelykasveja.

Vihreän vallankumouksen aikana yhteyttämisen tehostaminen ei onnistunut. Viljelykasveissa ei havaittu luonnostaan tehokkaita yhteyttäjiä, joita olisi voinut jalostaa.

Illinoisin yliopiston koeviljelmillä kasvu lisääntyi https://www.sciencedaily.com/releases/2019/01/190103142306.htmperäti 40 prosenttia, kun tutkijat onnistuivat tehostamaan fotosynteesiä muuntogeenisessä tupakassa. Kun ryhmä julkaisi tutkimuksen, siihen otti yhteyttä tupakkayhtiö – ja kolme kannabisyhtiötä.

Koekasvina oli tupakka, koska sitä on helppo muuntaa, sen perimä tunnetaan ja sitä on käytetty tutkimuksissa.

Yhteyttämistä on yritetty tehostaa vuosikymmeniä siinä onnistumatta. Samaa tutkii useita ryhmiä muun muassa Billhttps://www.hs.fi/haku/?query=bill ja Melinda Gatesin säätiön rahoituksella.

Turun yliopiston Molekulaarisen kasvibiologian yksikkö on ollut vuosia yksi kansainvälisen fotosynteesitutkimuksen keskuksista akateemikko Eva-Mari Aronhttps://www.hs.fi/haku/?query=eva-mari+aron johdolla.

Turussa tutkitaan erityisesti sitä, miten kasvit, levät ja syanobakteerit säätelevät fotosynteesin valoenergiaa kerääviä reaktioita ympäristöolojen muutosten mukaan ja miten fotosynteesiä eli yhteyttämistä voi hyödyntää eri yhdisteiden tuotannossa.

Pitkän ajan tavoite on löytää uusia tapoja tehostaa fotosynteesiä sekä korvata fossiilisia resursseja kemikaalien tuotannossa.

Yhteyttämisen taustalla on kasvien monimutkaista kemiaa. Kasvit muuttavat auringonvaloa energiaksi eli muuntamalla hiilidioksidin ja veden auringon­valon avulla sokereiksi.

Suurin osa viljelykasveista tekee sen tehottomasti, kuten ihmiskunnalle tärkeät riisi ja vehnä.

Kasvit kaappaavat valoenergiaa tehokkaasti, mutta käyttävät saamastaan auringonvalosta keskimäärin prosentin. Tehokkaasti yhteyttävän kasvin on havaittu käyttävän 2,5 prosenttia auringonvalosta. Teoreettinen maksimi on viisi prosenttia.

Iso osa tehottomuudesta johtuu siitä, että kasveilla toimii yhteyttämisen rinnalla niin sanottu valohengitys. Siinä kasvi nappaa hiilidioksidin sijasta happea ilmakehästä.

Hapen nappaaminen tuottaa haitallisen yhdisteen, josta eroon pääsy vaatii paljon ener­giaa. Siksi valohengitys vähentää fotosynteesin tehokkuutta jopa 50 prosenttia.

Keskeisessä roolissa hyvässä ja pahassa on rubisco-entsyymi. Sitä on yhteyttävissä kasveissa, levissä ja joissakin bakteereissa.

Rubisco on maailman yleisin proteiini, koska kasvit tarvitsevat sitä paljon sen tehottomuuden takia. Valohengitys on rubiscon katalysoima haitallinen sivureaktio.

Rubisco ei osaa erottaa happimolekyyliä ja hiilidioksidimolekyyliä, jotka ovat rakenteeltaan samanlaisia. Kummassakin on esimerkiksi kaksi happiatomia.

Entsyymin erehtymistä selittää se, että rubisco kehittyi yli kolme miljardia vuotta sitten, jolloin ilmakehässä ei ollut happea tai sitä oli vähän.

Kasvit ajoivat itsensä tavallaan ansaan, kun ne alkoivat tuottaa maapallolle happea fotosynteesin sivutuotteena, sanoo molekulaarisen kasvibiologian apulaisprofessori Mikko Tikkanen https://www.hs.fi/haku/?query=Turun yliopistosta.

Ortin ryhmä muokkasi kasvien perimää siten, että ne valohengitys toimii suoremmin ja poistaa myrkyllisiä yhdisteitä nopeammin. Ryhmä kokeili useita geenejä muun muassa bakteereista ja levistä ja kurpitsoista.

Parhaista koekasveista on saatu jopa 40 prosenttia tuottavampia. Muunnetut kasvit kasvoivat nopeammin ja pidemmiksi kuin muuntamattomat.

Ryhmä kokeilee menetelmää soijalla, pitkäpavulla ja riisillä. Haasteena on kehittää lajikkeita, joissa valohengitys pysyy kurissa lämmössäkin. Haitallinen valohengitys on vahvimmillaan kuumina ja kuivina päivinä.

Keksinnön tuominen pelloille vielä helposti yli vuosikymmenen, joten se vaatii lisää tutkimusta.

”Valohengityksen vähentäminen tai muuttaminen voi tehostaa fotosynteesiä, mutta ehkä samaan aikaan se heikentää kasvin kykyä säädellä vesitaloutta ja kykyä puolustautua taudinaiheuttajia vastaan”, Tikkanen sanoo.

Fotosynteesin perustutkimuksesta on hyötyä vertikaali- eli kerrosviljelylle, jossa kasvit kasvata ikään kuin hyllyillä. HS kertoi siitä vastikäänhttps://www.hs.fi/talous/art-2000006359994.html. Sitä tutkitaan Turussakin. Ajatuksena on annostella keinovaloa kasveille siten, että kasvit saavat energiaa tehokkaasti.

”Oletuksena on, että tällä päästään kymmenien prosenttien energiansäästöihin. Tällä on valtava vaikutus kerrosviljelyteknologian kilpailukyvylle ja hiilijalanjäljelle”, Tikkanen sanoo.