מדענים פיתחו טכניקת עריכת גנום כלורופלסט המשפרת משמעותית את הפוטוסינתזה ואת צמיחת הצמחים על ידי הכנסת שינויים מדויקים לאנזים Rubisco, שהוא חלבון מפתח אך לא יעיל יחסית המעורב בקיבוע פחמן צמחי. המחקר, שפורסם בתקשורת טבע, הוכיח כי עריכות ממוקדות הגבירו את הביצועים הפוטוסינתטיים, ייצור ביומסה ויעילות השימוש במים- במפעל המודלArabidopsis thaliana. ממצאים אלה מדגישיםמסלול פוטנציאלי לפיתוח יבולים פרודוקטיביים יותר בתנאי אקלים עתידיים.
על ידי שימוש בטכנולוגיית עריכת בסיס-כלורופלסט, החוקרים הכניסו תחליפי חומצות אמינו בודדות לתוך תת-היחידה הגדולה של Rubisco מבלי לשלב DNA זר בגנום הצמח. שתי מוטציות ספציפיות, M309I ו-D397N, הגבירו את הפעילות הקטליטית של האנזים, ואיפשרו לצמחים להטמיע יותר פחמן תחת ריכוזי פחמן דו חמצני אטמוספריים גבוהים ונוכחיים. הצמחים הערוכים הפגינו גודל זרעים ושורש מוגדלים, שטח עלים מורחב ותפוקות זרעים גבוהות יותר תוך שמירה על תכולת רוביסקו וכלורופיל תקינה.
ממצאים אלה עונים על אתגר רב שנים בביוטכנולוגיה צמחית. למרות שרוביסקו הוא מרכזי בפוטוסינתזה, הקצב הקטליטי האיטי יחסית שלו הגביל את תפוקת היבול במשך עשרות שנים. ניסיונות קודמים לעצב מחדש או להחליף את האנזים לעתים קרובות שיבשו את הרכבתו או הפחיתו את צמיחת הצמחים. לעומת זאת, מחקר זה מדגים ששינויים קטנים וממוקדים בגן Rubisco הקיים יכולים לשפר את הביצועים שלו תוך שמירה על התפתחות תקינה של הצמח.
החוקרים גם הבחינו שהצמחים שהשתנו השיגו יעילות גבוהה יותר של שימוש- במים, שכן הפוטוסינתזה גדלה מבלי להצריך פתיחה גדולה יותר של הסטומטית. מיקרוסקופיה קריו-אלקטרון גילתה שהמוטציות שינו את הגמישות של האזורים המקיפים את האתר הפעיל של רוביסקו, והציעו תובנות חדשות כיצד שינויים מבניים עדינים יכולים לשפר את תפקוד האנזים.
מחברי המחקר מציינים כי עמדות חומצות האמינו הממוקדות נשמרות מאוד בגידולים חקלאיים רבים, מה שמצביע על כך שגישה זו יכולה להיות ישימה באופן נרחב מעברארבידופסיס. ככל שריכוזי ה-CO₂ באטמוספירה ממשיכים לעלות, גרסאות Rubisco עם קצב קטליטי מהיר יותר עשויות לאפשר ליבולים לשמור על פרודוקטיביות תוך שימוש יעיל יותר במים בתנאי גידול מאתגרים יותר ויותר.
מכיוון שתהליך עריכת הכלורופלסט אינו משאיר DNA זר בצמחים הסופיים לאחר הרבייה, החוקרים מציעים שטכנולוגיה זו יכולה לעקוף מחסומים רגולטוריים מסוימים הקשורים לגידולים מהונדסים גנטית קונבנציונלית במדינות שמזהות צמחים-ערוכים, טרנסגנים-נטולים במסגרות לא-GMO.
