Yükselen sıcaklıklar, değişen iklimde fotosentezi de değiştirir
İklim değişikliğini inceleyen tarım bilimcileri, genellikle atmosferdeki karbondioksit seviyelerinin artmasının mahsul verimini nasıl etkileyeceğine odaklanır. Ancak araştırmacılar, konuyla ilgili yeni bir incelemede, yükselen sıcaklıkların resmi karmaşıklaştırması muhtemel.
Aşırı ısı, fotosentezi tetikleyen enzimlerin verimini düşürebilir ve bitkilerin CO2’yi düzenleme kabiliyetini engelleyebilir. Yapısal özellikler, bitkileri ısı stresine daha fazla veya daha az duyarlı hale getirebilir. Ekosistem özellikleri – bitkilerin boyutu ve yoğunluğu, yaprakların bitkiler üzerindeki düzeni veya yerel atmosferik koşullar gibi – aynı zamanda ısının mahsul verimini nasıl etkileyeceğini de etkiler.
İnceleme, bu zorlukların üstesinden gelmek için en son bilimsel çabaları açıklamaktadır.
Üniversitede araştırma görevlisi olan baş yazar Caitlin Moore, “Bu sorunları gerçekten bilinçli bir şekilde ele almak için, bireysel yaprakların biyokimyasından ekosistem düzeyindeki etkilere kadar bu sorunları farklı ölçeklerde anlamak önemlidir,” dedi. of Western Australia ve Illinois Üniversitesi Urbana-Champaign’deki Sürdürülebilirlik, Enerji ve Çevre Enstitüsü’nde bir bağlı araştırma görevlisi. Moore incelemeyi şu anda Birleşik Krallık’taki Essex Üniversitesi’nde I. alumna’nın başka bir U.’si olan Amanda Cavanagh ile yönetti.
“Tarihsel olarak, CO’nun yükselmesine çok fazla odaklanıldı2 ve bitki biyolojisi ve ekin bilimleri profesörü ve I. U.’daki Carl R. Woese Genomik Biyoloji Enstitüsü’nün bir üyesi olan ortak yazar Carl Bernacchi, ” önemli bir faktör, çünkü o karbondioksit konsantrasyonunu büyük ölçüde değiştiriyoruz. Ama bu büyük hikayenin küçük bir parçası. Karışıma değişen sıcaklıklar eklediğinizde, bu, bitkilerin nasıl tepki vereceğine dair anlayışımızı tamamen bozuyor. ”
Cavanagh, “Karbondioksiti şekerlere sabitleyen ve Dünya’da yaşamı mümkün kılan anahtar enzim olan Rubisco’yu ele alalım” dedi. “Rubisco sıcaklık arttıkça hızlanıyor, ancak hata yapmaya da meyilli.”
Rubisco, fotosentezde önemli bir adım olan karbondioksiti şekerlere bağlayarak sabitlemek yerine bazen oksijeni sabitleyerek bir bitkinin kaynaklarını boşa harcayan farklı bir yol başlatır. Cavanagh, yüksek sıcaklıkların bunu daha olası hale getirdiğini söyledi. Daha yüksek sıcaklıklarda enzim yapısal bütünlüğünü kaybetmeye başlayacak ve etkisiz hale gelecektir.
Aşırı ısı, bir bitkinin üreme verimini de zayıflatabilir. Diğer ısıya duyarlı enzimler, bitkilerin ışık hasadı mekanizmaları için gereklidir veya şekerlerin farklı bitki dokularına taşınmasında rol oynayarak bitkinin büyümesine ve tahıl veya meyve üretmesine izin verir.
Cavanagh, “Bu küçük moleküler makineler optimal olan sıcaklık aralığının dışına itilirse, işlerini yapamazlar” dedi.
Sıcaklık çok yükseldiğinde bitki yaprakları, kendilerini soğutmak için yüzeylerindeki stoma adı verilen gözenekleri açar. Stoma ayrıca bitkilerin atmosferden karbondioksiti emmesine izin verir, ancak tamamen açık olduklarında yaprak çok fazla nem kaybedebilir.
Moore, “Sıcaklık, bitkinin üzerindeki atmosferi etkiler” dedi. “Atmosfer ısındıkça ek su tutabilir, bu nedenle bitkilerden daha fazla su çeker.”
Illinois ve diğer yerlerdeki bilim adamları, bu değişiklikler karşısında ekin bitkilerinin dayanıklılığını artırmanın yollarını arıyorlar. Çalışmaları ekosistem ölçeğindeki faktörlere odaklanan Moore, bitkileri büyük ölçekte taramaya yardımcı olabilecek yeni araçların bu çaba için gerekli olduğunu söyledi. Örneğin, bitkilerdeki klorofil floresansındaki değişiklikleri tespit edebilen uydular, bir mahsulün ısı stresi altında olup olmadığını gösterebilir. Floresanstaki bu değişiklikler, bitki herhangi bir dış ısı stresi belirtisi göstermeden önce tespit edilebilir – örneğin yapraklarının kahverengiye dönmesi. Bu araçların geliştirilmesi, çiftçilerin çok fazla zarar verilmeden önce mahsul stresine daha hızlı tepki vermesini sağlayabilir.
Bitkilerin moleküler biyolojisi ve fizyolojisini inceleyen Cavanagh, bazı bitkilerin ısıya diğerlerinden daha toleranslı olduğunu ve bilim adamlarının başarılarına dair ipuçları için genomlarını aradıklarını söyledi.
“Örneğin, pirinç pirinçlerinin çoğundan çok daha sert iklimlerde büyüyen yabani Avustralya pirinç akrabalarına bakabilirsiniz” dedi. “Ve enzimlerinin daha yüksek sıcaklıklarda daha verimli çalışmak için hazırlandığını görüyorsunuz.”
Bir amaç, ısıya dayanıklı genleri, ısı stresine daha duyarlı olan yetiştirilmiş pirinç çeşitlerine aktarmaktır.
Diğer stratejiler, daha fazla CO pompalayan mühendislik yapılarını içerir2 Rubisco verimliliğini artırmak için karbon fiksasyon sahasına; Güneş ışığının dağılımını eşitlemek ve nem seviyelerini korumak için bitkilerin üst ve alt kısımlarındaki yaprakların ışığı toplama özelliklerini değiştirmek; ve CO kontrollerini iyileştirmek için stomaların yoğunluğunu değiştirmek2 akış ve nem kaybı.
Araştırmacılar, atmosferden molekülere kadar farklı ekosistem ve bitki işlevi ölçeklerine odaklanan bilim adamları arasındaki işbirliğinin, mahsul bitkilerinde direnç oluşturma çabalarının başarısı için çok önemli olduğunu söyledi.
Cavanagh, “Dünya şok edici bir hızla daha da ısınıyor,” dedi. “Ve küresel modellerden, Celsius brüt sıcaklık derecesindeki her artışın, dört ana mahsulümüzün veriminde% 3 ila% 7 kayıplara neden olabileceğini biliyoruz. Dolayısıyla, bu, görmezden gelebileceğimiz bir şey değil.
“Beni iyimser yapan şey, küresel olarak bu sorunu çözmek için bu kadar çok çalışmanın yapılacağının farkına varılmasıdır,” dedi.
Bilim adamları, kuraklığa dayanıklı mahsullerin oyunda cilde ihtiyaç duyduğunu gösterdi
Caitlin E Moore ve diğerleri, Sıcaklığın artmasının mahsul fotosentezi üzerindeki etkisi: enzimlerden ekosistemlere, Deneysel Botanik Dergisi (2021). DOI: 10.1093 / jxb / abil090