Lysegrønne planter sparer nitrogen uden at ofre fotosynteseeffektiviteten

De øverste blade af afgrøder absorberer langt mere lys, end de kan bruge, sultende nederste lysblade. Forskere designede planter med lysegrønne blade med håb om at tillade mere lys at trænge ind i afgrødens baldakin og øge den samlede lysforbrugseffektivitet og udbytte. Denne strategi blev testet i en nyere modelundersøgelse, der fandt ud af, at blade med reduceret klorofylindhold faktisk ikke forbedrer fotosyntesen på baldakinniveau, men i stedet, bevare en betydelig mængde kvælstof, som planten måske kan geninvestere for at forbedre effektiviteten af ​​lysforbruget og øge udbyttet.

"Blade øverst i baldakinen er virkelig grådige - de absorberer meget lys og svigter ikke meget til deres brødre og søstre under dem, " sagde Berkley Walker, en Alexander von Humboldt postdoc ved universitetet i Düsseldorf, der ledede dette arbejde støttet af Realizing Increased Photosynthetic Efficiency (RIPE). "Blade i toppen er ikke særlig effektive med den lysenergi, men bladene i bunden er meget effektive. Så, hvis du bare kunne tage noget af det lys, der bliver hugget op i toppen, og flytte det dybere ned i baldakinen, teoretisk set, du ville have en mere effektiv baldakin."

Udgivet i Plantefysiologi , forskere testede denne idé ved hjælp af en computersimulering, der inkorporerede data fra næsten 70 sorter af sojabønner med varierende niveauer af klorofyl fra det amerikanske landbrugsministeriums kimplasmabank. De fandt ud af, at planter med 20 procent mindre klorofyl teoretisk kræver 9 procent mindre nitrogen uden nogen straf for kulstofforøgelse (biomasse) og udbytte.

"Simulationen afslører, at den komplekse indre struktur af blade får lyset til at hoppe rundt så meget, at lyset har samme sandsynlighed for at gå op, som det gør at gå ned, " sagde RIPE vicedirektør Don Ort, en fysiolog ved USDA/ARS Photosynthesis Research Unit og Robert Emerson professor i plantebiologi og afgrødevidenskab ved Carl R. Woese Institute for Genomic Biology ved University of Illinois. "Når vi reducerer klorofyl, mere lys går tabt til refleksion, og vi får ikke det fulde udbytte af at få lyset dybere ned i baldakinen, hvor det kan absorberes."

Næste, de undersøger, om disse nitrogenbesparelser kan bruges til at rette op på andre fotosyntetiske flaskehalse samt andre måder at øge lysindtrængning i baldakinen på.

"Det er ikke lukket for lysegrønne planter, men strategien bliver lidt mere nuanceret end blot at sætte planter derude med lavere klorofylindhold, " sagde Walker. "Vi er nødt til at undersøge, om lysegrøn kan kombineres med ændringer i bladarkitekturen, eller om vi kan omkonstruere blade til at være tyndere for at reducere lysreflektans og forbedre transmittansen."

Andet RIPE-finansieret arbejde, der modellerede et fald i klorofylindholdet i ris, fandt ud af, at omfordeling af disse nitrogenbesparelser kunne forbedre baldakinens fotosyntese og effektiviteten af ​​nitrogenforbruget med 30 procent. Ifølge samarbejdspartner Xinguang Zhu fra det kinesiske videnskabsakademi, "Manipulation af bladklorofylindhold er en spændende mulighed for at udforske både øget energi- og lysforbrugseffektivitet. Denne undersøgelse viser, at opnåelse af den ønskede fordel kræver en mere grundig forståelse af bladets optiske egenskaber og nitrogenfordelingsmønstre blandt fotosyntetiske proteiner i et blad."