Wetenschap
Een technische verhoging van de mesofylgeleiding verbetert de fotosynthese-efficiëntie in veldproeven
CO2 wordt geconfronteerd met barrières terwijl hij door het blad beweegt, inclusief zijn eigen celwanden. Onderzoekers van het Long Lab ontdekten dat ze, door de permeabiliteit te vergroten en de dikte van de celwanden enigszins te verminderen, de CO2 konden verhogen diffusie en opname in een modelgewas.
"Dit is een van de weinige succesvolle concepttests die aantonen dat we een toename van de mesofylgeleiding kunnen bewerkstelligen en dit kunnen laten resulteren in een verhoogde fotosynthese in het veld", zegt Coralie Salesse-Smith, een postdoctoraal onderzoeker in Long Lab en hoofdauteur van een artikel over het onderzoek, gepubliceerd in het Plant Biotechnology Journal .
"Theorie laat ons zien dat het verhogen van de mesofylgeleiding om de fotosynthese te verhogen kan worden bereikt zonder de kosten van meer water. Dit is belangrijk gezien de dringende behoefte aan verhoogde gewasproductie en duurzaam watergebruik."
Fotosynthese is het natuurlijke proces dat alle planten gebruiken om zonlicht, water en koolstofdioxide om te zetten in energie en opbrengsten. CO2 De reis van de plant om bruikbare suiker (energie) te worden voor de plant, begint wanneer deze door kleine gaatjes in de bladeren gaat die bekend staan als huidmondjes.
Om de CO2 om de chloroplast te bereiken (waar het in suiker wordt omgezet), moet het door een aantal barrières reizen, waaronder de celwand. Het team veronderstelde dat als ze CO2 konden verbeteren Door deze barrières gemakkelijker over de celwand te laten passeren, zou de mesofylgeleiding en op zijn beurt de fotosynthese-efficiëntie verbeteren. Het verhogen van de mesofylgeleiding betekent dat er meer CO2 ontstaat zal beschikbaar zijn voor de plant om voedsel te worden.
Een eerder artikel van Salesse-Smith's collega's Realiseren van verhoogde fotosynthetische efficiëntie (RIPE) toonde aan dat dunnere celwanden geassocieerd zijn met een hogere mesofylgeleiding. Dit suggereert dat het opzettelijk verminderen van de dikte van de muren de gemakkelijkheid van CO2 zou kunnen veranderen beweegt zich door de bladeren, waardoor de fotosynthese mogelijk toeneemt. Geïnspireerd door dit artikel wilde Salesse-Smith dit idee testen in een modelfabriek.
Na een literatuuroverzicht vernauwde Salesse-Smith haar focus op het tot overexpressie brengen of verhogen van de hoeveelheid van CGR3, een gen waarvan is aangetoond dat het de celwandcomponenten verandert. Dit gen werd in een tabakssoort ingebracht en tijdens het groeiseizoen 2022 in een veldproef naast planten zonder het gen gekweekt. Tabak werd als modelplant gebruikt omdat het gemakkelijker is om er in het laboratorium en in het veld mee te werken, en ook omdat de onderzoekers hierdoor de genetica in een sneller tempo konden testen dan met een voedselgewas.
"Het was erg belangrijk om de celwand te targeten, omdat dit een van de belangrijkste componenten is die de geleiding van mesofyl beperken. Door de dikte ervan te verkleinen en deze beter doorlaatbaar te maken, zou het gemakkelijker worden voor CO2 om de plaats van koolstoffixatie te bereiken", zegt Salesse-Smith, postdoctoraal onderzoeker van RIPE in het Long Lab van de Urbana-Champaign van de Universiteit van Illinois.
"Door het beoogde gen tot overexpressie te brengen, waren we in staat de dikte van de celwand te verkleinen en de permeabiliteit ervan te vergroten, wat, zoals we veronderstelden, uiteindelijk de mesofylgeleiding en, op zijn beurt, de fotosynthese verhoogde."
RIPE, geleid door Illinois, probeert gewassen productiever te maken door de fotosynthese te verbeteren, het natuurlijke proces dat alle planten gebruiken om zonlicht in energie om te zetten.
De planten die het CGR3-gen tot overexpressie brachten, vertoonden een afname van de celwanddikte van 7-13% en een toename van de porositeit van 75% in vergelijking met de planten zonder dit toegevoegde gen. Het team bereikte hun doel om veranderingen aan de celwand aan te brengen, maar de echte maatstaf voor succes was dat de gegevens ook een toename van 8% in de fotosynthese in het veld lieten zien.
"We hoopten dat deze aanpassing meer CO2 mogelijk zou maken om in de chloroplast te komen en gebruikt te worden om energie te creëren in de vorm van suiker, en dat is wat er gebeurde, maar alleen omdat het werkte in een modelgewas betekent niet dat je dezelfde resultaten krijgt met een voedselgewas, "zei Salesse- Smit.
"Het is belangrijk om te testen wat er in sojabonen gebeurt om te zien of dezelfde verbeteringen in mesofylgeleiding en fotosynthese zullen worden bereikt, en of dat leidt tot verbeteringen in de opbrengst."
Gewapend met deze resultaten werkt het team aan het testen van deze modificatie in sojabonen, om te zien of een verhoogde fotosynthese, efficiëntie van watergebruik en opbrengst kunnen worden verkregen in een voedselgewas. Veldproeven met sojabonen zouden al in het groeiseizoen van 2025 kunnen plaatsvinden.