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광합성을 재설계하다

광합성의 효과와 효율성은 지구상에서 사용할 수 있는 음식과 산소의 양을 결정한다. 이것은 역으로 지구에서 생존하고 번성할 수 있는 ‘인간’과 ‘기타 다른 종’의 전체 인구를 결정하는..





Reengineering Photosynthesis

The effectiveness and efficiency of photosynthesis determine the amount of food and oxygen available on this planet. That, in turn, determines the population of humans and other species that can survive and thrive here. Soaring populations and rising affluence, require a greater abundance and variety of food than ever before. How can we enhance photosynthetic mechanisms to ensure these needs are met? What barriers and constraints could get in the way? And what business opportunities and threats are involved? We’ll show you.

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Nothing is more important to human health and well-being than an adequate supply of nutritious food. Over the last 50 years, malnutrition has invariably been the result of failures to make food accessible, not its global production. In fact, over this period, we have seen large surpluses of all the major crops, and that’s why shortages have remained a distant concern for most of the global population. The most important primary foodstuffs, in terms of millions of metric tons, are corn, rice, wheat, and soybeans. These four crops account for about two-thirds of the calories consumed worldwide. Moreover, the average global yield per unit area of land, for each of these crops, has more than doubled since 1960.

So, why are we discussing “food security” in 2020? One reason is that these global surpluses in staple crops have led to a steady decline in spending on plant science research and crop improvement, evident at the global level.

But that shift in priorities may prove short-sighted. The global population is expected to increase from just over 7.3 billion today to 9.5 billion by 2050, a 30% increase. Furthermore, an increasing proportion of the population will be urban and middle class, resulting in diets shifting increasingly from staples to processed foods, upgraded with more meat and dairy products; these require large amounts of primary foodstuffs to produce. For example, 10 lbs of cattle feed are required to produce each pound of live cattle. Thus, an increase in urban population will result in an increased demand for high-quality animal products, requiring an increase in crop production that is substantially faster than that estimated based solely on the projected population growth. This trend is expected to continue, and experts predict that the world will need 80% more primary foodstuffs in 2050 than in 2020.

So, is our current rate of increase in crop yields sufficient to meet this rising demand? That doesn’t appear to be the case. If current rates of crop yield improvement per hectare are simply maintained into the future, supply will fall seriously below demand by 2050. And the resulting rise in global food prices is expected to have the largest impact in the poorest tropical countries, which also have the highest population growth. A compounding factor is that improvement in subsistence crops in these tropical countries has tended to lag global average increases in the four leading crops. For example, the global average increase in yield per hectare of cassava, a major staple for sub-Saharan Africa, between 1960 and 2010 was 63%. This is less than half of the 171% increase for wheat over the same period. The problem is further compounded by the fact that the rate of improvement in yield even for our major crops is stagnating or even moving into reverse, in some areas of the globe. For instance, China, India, and Indonesia are the world’s largest producers of rice; yields per hectare in these countries increased by an average of 36% between 1970 and 1980. However, they only increased by 7% between 2000 and 2010.
 
This begs the question: “Why are yield improvements stagnating?”

The gains of the Green Revolution were achieved largely through improved genetics coupled with enhanced agronomy and crop protection that allowed for the realization of higher “genetic yield potential.”We can begin to understand these gains by defining them in mathematical terms.Yield potential (or Yp) is the mass of harvested material per hectare of land that a genotype of a crop can produce in a given environment in the absence of biotic and abiotic stresses. Improved Yield potential was achieved during the Green Revolution, in particular, by selecting genotypes that partitioned more of their biomass into the harvested product. For example, the selection of dwarfed genotypes of wheat resulted in more biomass in the grain and less in the stem. The proportion of a plant’s biomass that is invested into the harvested product, e.g., the grain of rice, is termed the harvest index. The yield potential of a given genotype is the product of the solar radiation received by a unit area of land over the growing season and the efficiencies with which the crop intercepts that radiation, converts the intercepted radiation into biomass energy, and then partitions the biomass into the harvested part of the plant.

With reference to this equation, the Green Revolution increased both solar efficiency and harvest index. In fact, over the past 50 years, the harvest index has almost doubled in the major grain crops and now stands at 60% for modern rice, wheat, and soybean varieties. However, a living plant can’t be made only of seeds, it needs structural components like stem roots, and pod casings to support the seed at harvest. So, there is little room remaining for genetic improvement in the harvest index. Similarly, the proportion of visible sunlight that is intercepted by the crop over the growing season has reached 80-to-90% for modern crops; that indicates that this determinant of yield potential is also very close to its biological limits.

So, what can be done? The one area in which there has been little or no improvement in conversion efficiency of visible solar energy; remains at about 2%, which is roughly one-fifth of the theoretical efficiency of 10% for C3 crops such as wheat and rice and 13% for C4 crops such as corn and sorghum. Therefore, this component of the equation appears to be a very promising focus for further enhancement of yield potential.

Conversion efficiency depends on the chemical efficiency of the process of photosynthesis, net of respiratory losses by the crop. Concern over global climate change motivated many studies of the effects of elevated CO2 on crop production and photosynthesis.CO2 is a limiting factor for photosynthesis in C3 crops, so we know that the primary effect of increased CO2 is to artificially boost the photosynthetic rate. Invariably, this results in increased yield, demonstrating that there would be a clear benefit to yield if total crop photosynthesis could be increased genetically in crops.

Yet, this also raises the question: “If photosynthesis has such a strong influence on crop yield, why have traditional breeding and selection for higher yield delivered so little improvement in photosynthetic efficiency?” There are several reasons for this effect.

Within a crop species and its relatives, there is huge variation in solar efficiency and in factors affecting the harvest index, such as the proportion of biomass invested in leaves during vegetative growth, rates of leaf growth, size of leaves, and leaf longevity. This has provided breeders with many variations in selecting for improved solar efficiency and harvest index. By contrast, the process of photosynthesis is highly conserved, not only within a crop species but across a wide range of plants. Further, directed breeding efforts have screened for germplasm with high light-saturated photosynthetic rates at the leaf level and selection here has often been at the expense of other traits. For example, selection for higher light-saturated rates of leaf photosynthesis alone has often indirectly selected for lower total leaf area, offsetting any advantage at the crop level. This approach also ignores the fact that about half of crop “carbon gain” occurs under light-limited conditions.

So, how can we increase photosynthetic efficiency, and why might this be an appealing strategy for a second Green Revolution when it was not for the first one?

Three factors make improving overall crop photosynthetic efficiency a real possibility, today.

The first one is based on our understanding of the photosynthetic process. In the 50 years since the start of the first Green Revolution, knowledge of the photosynthetic process has exploded. From light capture by pigment molecules to the production of storage carbohydrates; this fundamental process for all life on Earth is now understood in great detail. For higher plants, some algal species, and photosynthetic bacteria, not only is every step known, but the structures of the key proteins have been unraveled at high resolution revealing the mechanism of their action. Meanwhile, the gene coding for the key components has been characterized.

The second factor lies in the emergence of high-performance computing. The rapid growth of computational power and new software tools has allowed the simulation of photosynthetic kinetic models of the complete process as well as the application of optimization routines. Not only can the metabolic pathways and their cellular organization be represented “in silico,” there is now the opportunity to integrate these into realistic representations of the whole canopy of a crop. This facilitates predictions of the optimal distribution of resources at the sub-cellular, cellular, leaf, and whole-crop level. High-performance computing allows the “in silico” investigation of thousands of permutations of up-and-down regulation of genes and proteins involved in photosynthesis, as well as the impacts of the potential addition of foreign genes and pathways to plants. This lets researchers identify the best targets for practical manipulation.

Finally, the third factor is the advance of genetic engineering technology. Genome editing and synthetic biology, is now becoming increasingly routine for a wide range of crops.

Combined, these three factors are allowing scientists to take an informed and directed approach to engineering improved photosynthetic efficiency. And the results promise to be nothing short of revolutionary.

Given this trend, we offer the following forecasts for your consideration.

First, by 2050, commercial crops engineered to simplify and reduce photorespiration will increase food production from the big four crops by 40 percent under real-world agronomic conditions.

Experts estimate that today the agricultural production lost due to photorespiration each year just in the Midwest United States could feed 200 million people. Plant respiration is normal and it’s supposed to happen when it’s dark. So-called photorespiration happens when the sun is shining and it wastes resources that should be devoted to photosynthesis. Researchers have found ways to simplify and reroute photorespiration saving enough resources to boost plant growth dramatically. Already, researchers at the University of Illinois are translating their initial findings in order to boost the yield of soybeans, cowpeas, rice, potatoes, tomatoes, and eggplants.

Second, over the next decade, the productivity of engineered food crops will jump further because of the enhanced production of key natural enzymes.

Consider the role of RuBisCO, the world’s most common enzyme. Increased RuBisCO assists the biological machinery used by plants such as corn to convert atmospheric carbon dioxide into sugar during photosynthesis. Researchers eliminated a key bottleneck in corn photosynthesis by getting the plant to overexpress a key chaperone enzyme called RuBisCO Assembly Factor 1, helping the plant to make more RuBisCO.With the chaperone enzyme, the scientists in effect lowered a chemical speed bump that limits the rate at which RuBisCO can attain the right biological architecture leading the plants to accumulate more of it. As a result, photosynthesis is more efficient and produces more food from a given amount of sunlight.

Third, other more subtle bio-engineering changes will make photosynthesis even more productive and reduce the amount of water that crops need.

Put simply, plants are factories that manufacture food from light and carbon dioxide via a process called photosynthesis. As we’ve highlighted, parts of this complex process are hindered by a lack of raw materials and machinery. To optimize food production, scientists from the University of Essex recently resolved two major photosynthetic bottlenecks boosting plant productivity by 27 percent under real-world field conditions. As described in the journal Nature Plants, this photosynthetic hack also conserves water.

Fourth, even without manmade improvements to crops, photosynthesis will rise sharply as atmospheric CO2 increases.

In spite of falling CO2 output in OECD countries, both manmade and natural emissions are rising atmospheric CO2 levels. According to research published in the journal Nature, once C02 levels double, worldwide photosynthesis will rise by one-third. Obviously, this would increase the food supply for all species and make the planet far greener. Importantly, the resulting rise in biomass would also act to slow the rate of increase in C02, preventing runaway warming. And,

Fifth, in the medium term, what scientists have learned about photosynthesis will impact far more than the food supply.

Chemists at the University of Illinois are using artificial photosynthesis to produce liquid fuels from water, carbon dioxide, and visible sunlight. By converting carbon dioxide into more complex molecules like propane, solar energy become much more useful. For instance, it can be used when the sun is not shining, stored until times of peak demand, and stored in a form that is dramatically more energy-dense than batteries.

[References]
1. Cell.2015.Stephen P. Long, Amy Marshall-Colon, & Xin-Guang Zhu. Meeting the Global Food Demand of the Future by Engineering Crop Photosynthesis and Yield Potential.
https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(15)00306-2?_returnURL=https%3A%2F%2Flinkinghub.elsevier.com%2Fretrieve%2Fpii%2FS0092867415003062%3Fshowall%3Dtrue


2. Nature.2016.Sabrina Wenzel, Peter M. Cox, Veronika Eyring & Pierre Friedlingstein. Projected land photosynthesis constrained by changes in the seasonal cycle of atmospheric CO2.
https://www.nature.com/articles/nature19772

3. Nature Plants.2018.Coralie E. Salesse-Smith, Robert E. Sharwood, Florian A. Busch & Johannes Kromdijk, Viktoriya Bardal, David B. Stern. Overexpression of Rubisco subunits with RAF1 increases Rubisco content in maize.
https://www.nature.com/articles/s41477-018-0252-4

4. Molecular Plant.2019.Bo-Ran Shen, Li-Min Wang, Xiu-Ling Lin, Zhen Yao, Hua-Wei Xu, Cheng-Hua Zhu, Hai-Yan Teng, Li-Li Cui, E.-E. Liu, Jian-Jun Zhang, Zheng-Hui He & Xin-Xiang Peng. Engineering a New Chloroplastic Photorespiratory Bypass to Increase Photosynthetic Efficiency and Productivity in Rice.
https://www.cell.com/molecular-plant/fulltext/S1674-2052(18)30370-8?_returnURL=https%3A%2F%2Flinkinghub.elsevier.com%2Fretrieve%2Fpii%2FS1674205218303708%3Fshowall%3Dtrue

5. Matthias M. May, Kira Rehfeld. ESD Ideas: Photoelectrochemical carbon removal as negative emission technology. Earth System Dynamics, 2019; 10 (1): 1.
https://esd.copernicus.org/articles/10/1/2019/

6. Paul F. South, et al. Synthetic glycolate metabolism pathways stimulate crop growth and productivity in the field. Science, Jan 4th, 2019.



광합성의 효과와 효율성은 지구상에서 사용할 수 있는 음식과 산소의 양을 결정한다. 이것은 역으로 지구에서 생존하고 번성할 수 있는 ‘인간’과 ‘기타 다른 종’의 전체 인구를 결정하는 것이기도 하다. 급증하는 인구와 전 세계 곳곳에서 점점 더 커지고 있는 풍요로움에 대한 니즈는 그 어느 때 보다 더 풍부하고 다양한 식량을 필요로 한다. 이러한 니즈를 충족시키기 위해 광합성 메커니즘을 어떻게 향상시킬 수 있을까? 반대로 이에 대한 장애와 한계는 무엇일까? 이와 관련된 비즈니스 기회와 리스크는 어떤 관련이 있을까?

영양가 있는 음식의 적절한 공급보다 인간의 건강과 웰빙에 더 중요한 것은 없다 해도 과언이 아닐 것이다. 지난 50년 동안 세계 곳곳에서 발생한 영양실조는 전 지구적 생산의 문제가 아닌 식량에 대한 접근성에 대한 실패로부터 기인된 것이었다. 사실 이 기간 동안, 우리는 모든 주요 작물에 있어 큰 성과를 거두었다. 그리고 그것이 대부분의 지구촌 인구에게 부족함(shortage)이란 단어가 먼 관심사였던 이유였다. 수백만 톤을 기준으로 볼 때, 가장 주요한 주요 식량은 옥수수, 쌀, 밀, 대두이다. 이 네 가지 작물은 전 세계적으로 소비되는 칼로리의 약 2/3를 차지한다. 더욱이, 각 작물의 단위 면적당 세계 평균 수확량은 1960년 이후 두 배 이상 증가했다.

그렇다면 우리는 왜 2020년대에 이르렀는데도 ‘식량 안보’를 논의하고 있을까? 한 가지 이유는 주식으로 사용되는 주요 작물들에 대한 전 세계적 잉여로 인해 식물 과학 연구와 작물 개선에 대한 비용이 꾸준히 줄어들었기 때문이다.

그러나 우선순위에 대한 이러한 변화는 매우 근시안적인 것일 수 있다. 전 세계 인구는 현재 73억 명에서 2050년에는 95억 명으로 30% 증가할 것으로 예상된다. 더욱이 증가하는 인구 비율은 도시에 거주하는 중산층이 될 것이며, 이는 쌀, 밀과 같은 주식에서 가공 식품, 더 많은 육류와 유제품으로 점점 더 이동하는 결과를 낳게 된다. 그런데 1파운드의 소고기를 생산하는 데 약 10파운드의 사료가 필요하다. 도시 인구가 증가하면 보다 높은 품질의 육류에 대한 수요가 커지기 때문에, 증가할 것으로 예상되는 인구만을 기준으로 추정한 것보다 훨씬 더 빠르게 더 많은 작물 생산을 필요로 하게 될 것이다. 이러한 추세는 앞으로도 계속될 것으로 예상되며 전문가들은 2050년에 이르면 세계 주요 식량이 2020년보다 약 80% 더 필요할 것으로 예측하고 있다.

그렇다면 현재의 작물 수확량 증가율은 이렇게 증가하는 수요를 충족하기에 충분할까? 안타깝게도 그렇지 않은 것 같다. 현재의 1헥타르 당 작물 수확량 증가율이 미래에도 그대로 유지된다면 2050년대에 이르러 공급은 수요보다 한참 크게 낮은 수준일 것이다. 그 결과 전 세계적으로 식량 가격이 상승하고 이는 가장 가난하면서도 가장 높은 인구 성장률을 가진 국가들에게 치명적인 영향을 미칠 것으로 예상된다. 특히 열대 지역에 위치한 국가들이 그렇다. 

이들 열대 지역 국가에서 생계용 작물에 대한 개선은 4대 주요 작물에 대한 전 세계 평균 증가율보다 뒤처지는 경향이 있다. 예를 들어, 1960년에서 2010년 사이 사하라 사막 이남 아프리카의 주식 카사바의 1헥타르 당 생산량의 전 세계 평균 증가율은 63%였다. 이는 같은 기간 동안 171% 증가한 밀의 절반도 되지 않는 수준이다. 문제는 전 세계 일부 지역에서 주요 작물의 수확량 개선 속도가 정체되거나 역전되고 있다는 사실로 인해 더욱 복잡해진다. 예를 들어, 중국, 인도, 인도네시아는 세계 최대 쌀 생산국이다. 이들 국가의 헥타르 당 수확량은 1970년과 1980년 사이에 평균 36% 증가했지만 2000년과 2010년 사이에는 7%만 증가했다.

이는 ‘수율 향상이 정체되는 이유는 무엇인가?’라는 질문을 던진다.

지난 과거 녹색 혁명(the Green Revolution)의 이득은 더 높은 ‘유전적 수량 잠재력’을 실현할 수 있는 향상된 ‘농경학’과 ‘작물보호’와 결부되는 개선된 유전학을 통해 주로 달성되었다. 우리는 이를 수학적 용어로 정의하여 이러한 이득을 이해할 수 있다. 수량 잠재력(Yield potential, Yp)는 작물의 유전자형이 생물적/비생물적 스트레스가 없는 주어진 환경에서 생산할 수 있는 1헥타르 당 수확 물량의 최대치를 의미한다. 개선된 수량 잠재력은 녹색 혁명 기간 동안 달성되었는데, 특히 더 많은 바이오매스(biomass, 생물량)를 수확 작물에 분할하는 유전자형을 선택함으로써 그러했다. 예를 들어, 왜소한 밀의 유전형을 선택하면 곡물에는 더 많은 바이오매스가 생기고 줄기에는 더 적은 바이오매스가 발생했다. 쌀과 같은 수확 작물에 투입되는 식물의 바이오매스 비율을 수확 지수(harvest index)라 한다. 주어진 유전자형의 수량 잠재력은 성장기 동안 토지의 단위 면적 당 태양 복사와 작물이 해당 복사를 가로채고, 가로챈 복사를 바이오매스 에너지로 전환한 다음 바이오매스를 식물의 수확되는 부분으로 분할하는 효율성의 결과이다.

이 방정식과 관련하여 녹색 혁명은 태양광 효율성과 수확 지수 모두를 증가시켰다. 사실, 지난 50년 동안 수확 지수는 주요 곡물 작물에서 거의 두 배가 되었고, 현재에도 오늘날의 쌀, 밀, 대두 품종의 경우 수확지수는 60%에 이르고 있다. 그러나 살아있는 식물은 단지 씨앗(곡물)으로만 구성될 수 없다. 즉 줄기, 뿌리, 그리고 추수할 때 씨앗을 보호하는 꼬투리와 구조적 요소들을 필요로 한다. 따라서 수확 지수에서 유전적 개선을 위한 여지는 거의 남아 있지 않다. 마찬가지로, 생장기 동안 작물이 가로채는 가시광선의 비율은 현대 작물의 경우 80∼90 %에 도달했다. 이는 수량 잠재력에 있어 이러한 결정 요인이 생물학적 한계에 거의 근접하고 있음을 나타낸다.

그렇다면 이제 우리는 무엇을 할 수 있을까? 가시광 태양 에너지의 변환 효율이 거의 또는 전혀 개선되지 않은 한 분야가 약 2% 정도 남았다. 밀, 쌀과 같은 C3 작물의 경우 이론적 효율 10%의 약 1/5, 옥수수, 수수와 같은 C4 작물의 경우 약 13%이다. 따라서 방정식의 이 구성 요소는 수량 잠재력을 더욱 향상시키는 데 매우 유망한 지점으로 보인다.

이러한 태양 에너지에 대한 식물의 전환 효율은 광합성 과정의 화학적 효율, 작물의 순 호흡 손실에 달려 있다. 지구 기후 변화에 대한 우려는 이산화탄소(CO2) 증가가 작물 생산 및 광합성에 미치는 영향에 대한 많은 연구를 일으켰다. 이산화탄소는 C3 작물의 광합성에 있어 제한적 요소이다. 따라서 우리는 이산화탄소 증가의 주요 효과가 인위적으로 광합성 속도를 높이는 것임을 알고 있다. 결국 이는 수확량 증가를 가져오고, 유전적으로 전체 작물 광합성이 증대될 수 있다면 수확량에 분명한 이점이 있음을 보여주고 있다.

그러나 이것은 또 다른 질문을 던진다.

“광합성이 작물 수확량에 큰 영향을 미친다면, 왜 전통적인 육종과 더 높은 수확량을 위한 선택에 있어서의 광합성 효율을 거의 향상시키지 않았는가?”

이 효과에는 몇 가지 이유가 있다.

어떤 작물 종과 그 친척 종 내에서, 식물이 성장하는 동안 잎에 투자된 바이오매스의 비율, 잎 성장 속도, 잎 크기 및 잎 수명과 같이 수확 지수에 영향을 미치는 요소와 태양 효율에는 매우 큰 다양성이 존재한다. 이는 육종가(breeder)들에게 향상된 태양광 효율과 수확 지수를 선택하는 데 많은 다양성을 제공했다. 이와 대조적으로, 광합성 과정은 작물 종 내에서 뿐만 아니라 광범위하게 식물에 높게 보존된 것이다. 더욱이 직접적인 육종 시도는 잎 수준에서 높은 광포화(light-saturated) 광합성을 가진 생식질(germplasm)로 선별되었고, 여기에서 선택한 것이 종종 다른 형질을 희생시켰다. 예를 들어, 잎 광합성의 더 높은 광포화율을 위한 선택으로 인해 종종 더 낮은 전체 잎 면적을 간접적으로 선택할 수 밖에 없는 상황이 되었다. 이는 작물에 있어 이점을 상쇄시켜 버린다. 이러한 접근법은 또한 농작물의 ‘탄소 획득량’의 약 절반이 빛이 제한된 조건에서 발생한다는 사실을 간과하는 것이다.

그렇다면 어떻게 해야 제2의 녹색혁명을 위한 매력적인 전략인 이 광합성 효율을 높일 수 있을까?

오늘날, 현실적인 가능성 면에서 전체적인 작물 광합성 효율을 개선하는 세 가지 요소가 있다.

첫 번째는 광합성 과정에 대한 우리의 이해를 기반으로 한다. 녹색 혁명이 시작된 후 50년 동안 안료 분자에 의한 빛 포착에서 저장 탄수화물 생산애 이르기까지 광합성 과정에 대한 지식이 폭발적으로 증가했다. 지구상의 모든 생명체에 대한 이 근본적인 과정은 이제 매우 자세히 파악되었다. 고등 식물, 일부 해조류 종, 그리고 광합성 박테리아의 경우 모든 단계가 파악되었을 뿐만 아니라 주요 단백질의 구조가 고해상도로 밝혀져 그 작용 메커니즘까지 드러난 것이다. 한편, 주요 구성 요소에 대한 유전자 코딩도 특정화되었다.

두 번째 요소는 고성능 컴퓨팅의 출현에 있다. 계산 능력과 새로운 소프트웨어 도구의 급속한 성장으로 인해 광합성 운동 모델의 전체 프로세스를 시뮬레이션하고 최적화 루틴을 적용할 수 있다. 더불어 신진 대사 경로와 세포 조직을 컴퓨터 시뮬레이션과 같은 가상 환경에서 표현할 수 있을 뿐만 아니라, 이제 이를 작물의 전체 캐노피에 대한 실제 표현으로 통합할 수 있는 기회가 있다. 이를 통해 세포, 잎, 전체 작물 수준에서 최적의 자원 분포를 예측할 수 있다. 고성능 컴퓨팅을 사용하면 광합성에 관여하는 유전자 및 단백질의 상하 조절에 대한 수천 개의 순열과 식물에 대한 외래 유전자 및 경로의 잠재적 추가 영향에 대한 가상 환경 시뮬레이션 연구가 가능하다. 이를 통해 연구자들은 실제 조작에 가장 적합한 표적을 식별할 수 있다.

마지막 요소는 유전 공학 기술의 발전이다. 게놈 편집 및 합성 생물학은 이제 광범위한 작물 분야에서 점점 더 일상화되고 있다.

이 세 가지 요소가 결합되어 과학자들은 광합성 효율을 개선하기 위해 정보에 입각한 직접적인 접근 방식을 취할 수 있다. 그리고 그 결과는 매우 혁명적일 것이다.

이러한 추세를 고려하여 우리는 다음과 같은 예측을 내릴 수 있다.

첫째, 2050년까지 광호흡을 단순화하고 줄이기 위해 설계된 상업용 작물이 실제 농업 조건에서 4대 작물의 식량 생산을 40% 증가시킬 것이다.

전문가들은 오늘날 미국 중서부 지역에서만 매년 광호흡으로 인해 손실되는 농업 생산량이 2 억 명에게 공급할 수 있는 식량 수준이라고 추정한다. 식물의 호흡은 정상적인 현상으로 어두울 때 발생한다. 이른바 광호흡은 태양이 빛날 때 발생하며 광합성에 전념해야하는 자원을 낭비하게 된다. 연구원들은 광호흡을 단순화하고 경로를 변경하여 식물 성장을 극적으로 향상시키기에 충분한 자원을 절약하는 방법을 찾았다. 이미 일리노이 대학의 연구자들은 대두, 무지개콩, 쌀, 감자, 토마토, 가지의 수확량을 높이기 위한 그들의 초기 연구 성과를 적용하고 있다.

둘째, 향후 10년 동안 주요 천연 효소의 생산 향상으로 인해 식량 작물의 생산성이 더욱 높아질 것이다.

세계에서 가장 흔한 효소인 루비스코(RuBisCO)의 역할을 생각해보자. 증대된 루비스코는 옥수수와 같은 식물이 광합성 과정에서 대기 중 이산화탄소를 당으로 전환하는 데 사용하는 생물학적 기제를 지원한다. 연구자들은 식물이 더 많은 루비스코를 생성하도록 돕는 루비스코 어셈블리 팩터(RuBisCO Assembly Factor) 1으로 불리는 핵심 샤페론 효소를 과발현하도록 함으로써 옥수수 광합성의 주요 병목 현상을 제거했다. 이 샤페론 효소를 통해 과학자들은 루비스코가 올바른 생물학적 구조를 얻을 수 있는 비율을 제한하는 화학적 속도 장애를 개선하여, 식물이 더 많은 루비스코를 축적할 수 있게 했다. 결과적으로 광합성은 더 효율적이고 주어진 양의 햇빛에서 더 많은 음식을 생산할 수 있다.

셋째, 또 다른 절묘한 생물 공학적 변화가 광합성을 더욱 생산적으로 만들고 작물 재배에 필요한 물의 양을 줄여줄 것이다.

간단히 말해, 식물은 광합성이라는 과정을 통해 빛과 이산화탄소로 음식을 생산하는 공장이다. 앞서 강조했듯 이 복잡한 프로세스의 일부는 원자재와 기계의 부족으로 인해 방해를 받는다. 식량 생산을 최적화하기 위해 에섹스 대학의 과학자들은 최근 실제 현장 조건에서 식물 생산성을 27% 향상시키는 두 가지 주요 광합성 병목 현상을 해결했다. 「네이처 플랜츠(Nature Plants)」저널에서는 이러한 광합성 효율은 물도 절약할 수 있다.

넷째, 작물을 인공적으로 개선하지 않아도 대기 중 이산화탄소가 증가함에 따라 광합성이 급격히 증가할 것이다.

OECD 국가의 이산화탄소 배출량 감소에도 불구하고 인공 및 자연 배출량은 모두 대기 중 이산화탄소 수준을 높이고 있다. 「네이처」지에 발표 된 연구에 따르면 이산화탄소 수준이 두 배가 되면 전 세계적으로 광합성이 1/3 증가할 것이다. 분명히 이것은 모든 종의 식량 공급을 증가시키고 지구를 훨씬 더 푸르게 만들 것이다. 중요한 것은 바이오매스의 결과적 증가가 이산화탄소의 증가 속도를 늦추는 역할을 하여 폭주하는 온난화 또한 방지한다는 것이다.

다섯째, 중기적으로 볼 때 과학자들이 광합성에 대해 밝혀낸 것이 식량 공급보다 훨씬 더 많은 것에 영향을 미칠 것이다.

일리노이 대학의 화학자들은 인공 광합성을 사용하여 물, 이산화탄소, 가시광선으로부터 액체 연료를 생산하고 있다. 이산화탄소를 프로판과 같은 더 복잡한 분자로 변환함으로써 태양 에너지가 훨씬 더 유용해질 것이다. 예를 들어 태양이 빛나지 않을 때 사용할 수 있고, 최대 수요 시간까지 저장하고, 배터리보다 훨씬 더 에너지 밀도가 높은 형태로 저장할 수 있을 것이다.

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References List :
1. Cell.2015.Stephen P. Long, Amy Marshall-Colon, & Xin-Guang Zhu. Meeting the Global Food Demand of the Future by Engineering Crop Photosynthesis and Yield Potential.
https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(15)00306-2?_returnURL=https%3A%2F%2Flinkinghub.elsevier.com%2Fretrieve%2Fpii%2FS0092867415003062%3Fshowall%3Dtrue


2. Nature.2016.Sabrina Wenzel, Peter M. Cox, Veronika Eyring & Pierre Friedlingstein. Projected land photosynthesis constrained by changes in the seasonal cycle of atmospheric CO2.
https://www.nature.com/articles/nature19772

3. Nature Plants.2018.Coralie E. Salesse-Smith, Robert E. Sharwood, Florian A. Busch & Johannes Kromdijk, Viktoriya Bardal, David B. Stern. Overexpression of Rubisco subunits with RAF1 increases Rubisco content in maize.
https://www.nature.com/articles/s41477-018-0252-4

4. Molecular Plant.2019.Bo-Ran Shen, Li-Min Wang, Xiu-Ling Lin, Zhen Yao, Hua-Wei Xu, Cheng-Hua Zhu, Hai-Yan Teng, Li-Li Cui, E.-E. Liu, Jian-Jun Zhang, Zheng-Hui He & Xin-Xiang Peng. Engineering a New Chloroplastic Photorespiratory Bypass to Increase Photosynthetic Efficiency and Productivity in Rice.
https://www.cell.com/molecular-plant/fulltext/S1674-2052(18)30370-8?_returnURL=https%3A%2F%2Flinkinghub.elsevier.com%2Fretrieve%2Fpii%2FS1674205218303708%3Fshowall%3Dtrue

5. Matthias M. May, Kira Rehfeld. ESD Ideas: Photoelectrochemical carbon removal as negative emission technology. Earth System Dynamics, 2019; 10 (1): 1.
https://esd.copernicus.org/articles/10/1/2019/

6. Paul F. South, et al. Synthetic glycolate metabolism pathways stimulate crop growth and productivity in the field. Science, Jan 4th, 2019.

7. Nature Plants. 2020.Patricia E. López-Calcagno, Kenny L. Brown, Andrew J. Simkin, Stuart J. Fisk, Silvere Vialet-Chabrand, Tracy Lawson, and Christine A. Raines. Stimulating photosynthetic processes increases productivity and water-use efficiency in the field.

8. Nature Communications.2019. Sungju Yu & Prashant K. Jain. Plasmonic photosynthesis of C1–C3 hydrocarbons from carbon dioxide assisted by an ionic liquid.
https://www.nature.com/articles/s41467-019-10084-5

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