Konstrueret stigning i mesofylkonduktans forbedrer fotosynteseeffektiviteten i feltforsøg

Det er muligt at konstruere øget mesofylkonduktans i planter ifølge ny forskning fra University of Illinois. Mesofylkonduktans spiller en nøglerolle i fotosyntesen og henviser til den lethed, hvormed CO₂ kan diffundere gennem et blads celler, før det når det sted, hvor det i sidste ende omdannes til sukker for at fodre planten (kulstoffiksering).

CO₂ står over for barrierer, når den bevæger sig gennem bladet, inklusive sine egne cellevægge. Forskere fra Long Lab fandt ud af, at ved at øge permeabiliteten og en smule reducere tykkelsen af ​​cellevæggene kunne de øge CO₂ diffusion og optagelse i en modelafgrøde.

"Dette er en af ​​de få vellykkede test af koncept, der viser, at vi kan konstruere en stigning i mesofylkonduktans og få det til at resultere i øget fotosyntese i felten," siger Coralie Salesse-Smith, en postdoc-forsker i Long Lab og hovedforfatter på en papir om forskningen, offentliggjort i Plant Biotechnology Journal .

"Teori viser os, at øget mesofylkonduktans for at øge fotosyntesen kan opnås uden omkostningerne ved mere vand. Dette er vigtigt i betragtning af det presserende behov for øget afgrødeproduktion og bæredygtig vandudnyttelse."

Fotosyntese er den naturlige proces, som alle planter bruger til at omdanne sollys, vand og kuldioxid til energi og udbytte. CO₂ 's rejse til at blive nyttigt sukker (energi) for planten, begynder, når den passerer gennem små huller i bladene kendt som stomata.

For at CO₂ for at nå kloroplasten, (hvor den bliver til sukker), skal den rejse gennem en række barrierer, herunder cellevæggen. Holdet antog, at hvis de kunne forbedre CO₂ diffusion på tværs af cellevæggen ved at gøre disse barrierer nemmere at krydse, ville det forbedre mesofylkonduktansen og igen fotosynteseeffektiviteten. Øget mesofylkonduktans betyder, at mere CO₂ vil være tilgængelig for planten til at blive til mad.

En tidligere artikel fra Salesse-Smith's Realizing Increased Photosynthetic Efficiency (RIPE) kolleger viste, at tyndere cellevægge er forbundet med højere mesofylkonduktans. Dette tyder på, at en bevidst formindskelse af væggenes tykkelse kunne ændre, hvor let CO₂ bevæger sig gennem blade, hvilket potentielt øger fotosyntesen. Inspireret af dette papir ønskede Salesse-Smith at teste denne idé i en modelfabrik.

Efter en gennemgang af litteraturen indsnævrede Salesse-Smith sit fokus til at overudtrykke eller øge mængden af ​​CGR3, et gen, der har vist sig at ændre cellevægskomponenter. Dette gen blev indsat i en tobaksart og dyrket sammen med planter uden genet i et feltforsøg i vækstsæsonen 2022. Tobak blev brugt som modelplante, fordi det er lettere at arbejde med i laboratorie- og markmiljøer, og også fordi det gav forskerne mulighed for at teste genetikken i et hurtigere tempo end med en fødevareafgrøde.

"Målretning mod cellevæggen var meget vigtig, fordi den er en af ​​hovedkomponenterne, der begrænser mesofylkonduktansen. At mindske dens tykkelse og gøre den mere permeabel ville gøre det lettere for CO₂ for at komme til stedet for carbonfiksering," sagde Salesse-Smith, RIPE postdoc-forsker i Long Lab ved University of Illinois Urbana-Champaign.

"Ved at overudtrykke det målrettede gen var vi i stand til at mindske cellevæggens tykkelse og øge dets permeabilitet, hvilket, som vi antog, endte med at øge mesofylkonduktansen og til gengæld fotosyntesen."

RIPE, som ledes af Illinois, udvikler afgrøder til at være mere produktive ved at forbedre fotosyntesen, den naturlige proces, som alle planter bruger til at omdanne sollys til energi.

Planterne, der overudtrykte CGR3-genet, viste et fald i cellevægtykkelse på 7-13% og en stigning i porøsitet på 75% sammenlignet med planterne uden dette tilføjede gen. Holdet nåede deres mål om at foretage ændringer i cellevæggen, men det sande mål for succes var, da dataene også viste en 8 % stigning i fotosyntesen i marken.

"Vi håbede, at denne ændring ville give mulighed for mere CO₂ at komme ind i kloroplasten og blive brugt til at skabe energi i form af sukker, og det er det, der skete, men bare fordi det virkede i en modelafgrøde, betyder det ikke, at man får de samme resultater med en fødevareafgrøde," sagde Salesse- Smith.

"Det er vigtigt at teste, hvad der sker i sojabønner for at se, om de samme forbedringer i mesofylkonduktans og fotosyntese vil blive opnået, og om det fører til forbedringer i udbyttet."

Bevæbnet med disse resultater arbejder holdet på at teste denne modifikation i sojabønner for at se, om øget fotosyntese, vandforbrugseffektivitet og udbytte kan opnås i en fødevareafgrøde. Sojabønneforsøg kan finde sted allerede i vækstsæsonen 2025.

Flere oplysninger: Større mesofylkonduktans og bladfotosyntese i marken gennem modificeret cellevægsporøsitet og tykkelse via AtCGR3-ekspression i tobak, Plant Biotechnology Journal (2024). DOI:10.1111/pbi.14364. onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pbi.14364

Journaloplysninger: Plant Biotechnology Journal

Leveret af University of Illinois at Urbana-Champaign