Forskere rapporterer hurtigere screening af fotobeskyttelse i afgrøder

Planter bruger hele dagen på at skabe mad fra sollys ved hjælp af fotosyntese - en 100+ trins proces, som forskere har arbejdet på at forbedre effektiviteten i afgrøder for i sidste ende at levere mere udbytte. Når afgrødeblade er i fuldt sollys, såsom i de vidt åbne marker, modtager deres grønne klorofylmolekyler mere lysenergi, end de kan bruge. Hvis denne energi ikke spredes fra molekylerne, vil de reagere med ilt for at producere blegemidler, der kan ødelægge bladet, hvilket koster planterne op til 10-30% af deres evne til at fotosyntese.

Planter har imidlertid udviklet sig til at udvikle flere fotobeskyttende mekanismer for at forhindre skade, kaldet ikke-fotokemisk quenching (NPQ) af de exciterede klorofyltilstande. Ved at fremskynde processen med NPQ-afslapning kan forskere potentielt øge effektiviteten af ​​fotosyntese i afgrøder.

I en nylig undersøgelse offentliggjort i Journal of Visualized Experiments RIPE-forskere fra University of Illinois og University of Cambridge rapporterede om en high-throughput-metode til screening af NPQ-afslapning i markdyrkede planter med potentiale til at hjælpe med identifikation af genotyper med gavnlige egenskaber ved at udvikle en pulsamplitudemoduleret (PAM) klorofylfluorescensanalyse.

"NPQ kan måles ved at bruge en række kommercielt tilgængelige PAM-fluorometre, fra simple håndholdte enheder til mere avancerede lukkede systemer," sagde Dhananjay Gotarkar, en postdoc-forsker ved Illinois, som ledede dette arbejde for et forskningsprojekt kaldet Realizing Increased Photosynthetic Effektivitet (RIPE). "Der er en begrænsning ved at bruge flere af disse tilgange på grund af dets relativt lave gennemløb, hvilket gør screening af store samlinger af planter udfordrende uden flere enheder og et team af forskere."

RIPE er et internationalt forskningsprojekt, der har til formål at øge den globale fødevareproduktion ved at udvikle fødevareafgrøder, der gør solens energi til mad mere effektivt med støtte fra Bill &Melinda Gates Foundation, Foundation for Food &Agriculture Research og U.K. Foreign, Commonwealth &Development Kontor.

Med udgangspunkt i tidligere forskning brugte holdet PAM-klorofylfluorescensanalyse af bladskiver til high-throughput-screening af NPQ-relaksationshastigheder i markdyrkede sojabønner, som har den vigtigste fordel sammenlignet med sekventiel analyse af individuelle planter.

"Da konventionelle målinger udføres på en plantebasis, åbner brugen af ​​denne procedure muligheden for at teste hundredvis af genotyper inden for en dag og muligheden for at udføre genom-dækkende associationsundersøgelser," sagde Steven Burgess, en forfatter til denne undersøgelse. "Denne protokol er designet til at analysere mark-dyrket sojabønner, men den kan modificeres til prøveudtagning og måling af drivhus-dyrket materiale eller andre højere planter."

I deres papir lagde forskerholdet deres protokol fra frøplantning i sommeren 2021 til indsamling af bladprøver fra marken og behandling og måling af NPQ klorofylfluorescensdata. Holdet fandt ud af, at for at opnå pålidelige målinger af NPQ, skal flere komponenter tages i betragtning, såsom valg og håndtering af bladskiver. For eksempel kan hårdhændet håndtering med en pincet give stress til bladvævet, og hastigheden af ​​NPQ-aktivering og afslapning kan variere med bladalderen og plantens udviklingsstadium, som alle er elementer, man skal være opmærksom på for at reducere eksperimentel støj.

"Ved at identificere store flaskehalse, der hindrer fotosyntetisk effektivitet, kan vi finde ud af, hvordan vi hjælper planter med at vokse mere produktivt," sagde Johannes Kromdijk, lektor ved University of Cambridge, som har bidraget til denne undersøgelse. "Denne tilgang involverer hurtigere måder at analysere data på, og PAM-klorofylfluorescensanalyse er en kraftfuld teknik til at måle fotosyntetisk effektivitet, hvilket giver os et middel til at måle mange genotyper samtidigt." + Udforsk yderligere

Samarbejdshold beviser bladbredde og biomassekorrelation i cowpea