Redesigning photosynthesis for future food security
- Reference number
- ARC19-0051
- Project leader
- Strand, Åsa
- Start and end dates
- 200801-260731
- Amount granted
- 50 000 000 SEK
- Administrative organization
- Umeå University
- Research area
- Life Science Technology
Summary
Crop yields must increase by 100% by 2050 to meet the future food needs of the global population. Addressing this acute agricultural crisis is one of our greatest scientific challenges. In this Centre, we will pursue increased crop yields by engineering two key aspects of photosynthesis in a model plant. Non-photochemical quenching, a mechanism by which plants dissipate energy to protect the light-harvesting antennae, but which is wasteful under some conditions, will be optimized through structural engineering. The Calvin-Benson-Bassham cycle, which fixes and reduces CO2 in chloroplasts, will be characterized with systems biology to uncover hidden points of regulation. In both lines of research, we draw information from cyanobacteria, which evolved in parallel with chloroplasts from a common ancestor, but have higher metabolic rates. We will generate gene-modified plants that have increased light harvesting efficiency and higher CO2 fixation rates. With the industrial partner SweTree Technologies we will test our engineering strategies in Swedish crops for increased yield. The diverse backgrounds of the applicants, with expertise in plant physiology, biophysics and metabolic engineering, the planned interactions with other leading international consortia, make it feasible to meet the ambitious goals. This Centre will position Sweden as a leading environment for photosynthesis research, contributing to solving one of the most pressing issues of today´s society, food security.
Popular science description
Växter är grunden för världens matproduktion. En ökande befolkning och klimatförändringar kräver nya grödor som ger ökad avkastning. Skördeavkastningen måste öka med 100% fram till 2050 för att möta det framtida matbehovet för den globala befolkningen. Mark för odling är en begränsande faktor då det inte finns mycket ny mark som kan odlas upp, i alla fall inte utan allvarliga miljöskador. Vidare krymper de markarealer som idag finns tillgängliga för odling på grund av erosion och torrare klimat. Detta betyder att vi måste producera mer mat på den mark som redan är uppodlad. För att klara detta måste vi utveckla nya grödor som kan öka vår avkastning. Att lösa denna akuta jordbrukskris är en av största utmaningar vårt samhälle står inför. Fotosyntesen är grunden för livet på jorden. Växter, alger och cyanobakterier som innehåller klorofyll har förmågan att utnyttja solljuset för att omvandla vatten och koldioxid till socker och syre. Att öka effektiviteten hos fotosyntesen är lösning på livsmedelskrisen som just nu utforskas med lovande resultat inom flera stora forskningscentra världen över. Vi i Sverige behöver också bidra till denna typ av forskning. I synnerhet då vi har en mycket stark forskningstradition inom fotosyntesforskning. Vi föreslår härmed att bilda ett svenskt forskningscentrum som skall komplettera pågående internationell forskning med att försöka göra fotosyntesen mera effektiv. Vi kommer använda två olika tillvägagångssätt för att öka fotosynteskapaciteten hos våra jordbruksgrödor. Vi kommer att modifiera växterna så att de kan utnyttja ljusenergin på ett mer effektivt sätt. Vidare kommer vi identifiera negativa regleringspunkter hos Calvin-cykeln, som fixerar koldioxiden i växternas kloroplaster. För att göra dessa förändringar i växternas genom kommer vi att använda den så kallade gensaxen, CRIPSR/cas9. Då vi fått fram preliminära data med vår modellväxt Arabidopsis thaliana, eller backtrav, kommer vi att överföra denna kunskap till grödor som är mest relevanta för svenskt jordbruk såsom, vete, raps och potatis. Detta arbete kommer att vi att utföra i nära samarbete med vår industripartner, SweTree Technologies. Forskarna inom Centret har samlad expertis inom växtfysiologi, biofysik och bioteknik, och de föreslagna forskningsaktiviteterna kommer att positionera Sverige som en ledande miljö för fotosyntesforskning och samtidigt bidra till att lösa en av de mest angelägna frågorna i dagens samhälle, livsmedelssäkerhet.