Верхние листья сельскохозяйственных культур поглощают гораздо больше света, чем могут использовать, из-за чего нижние листья лишены света. Ученые разработали растения со светло-зелеными листьями в надежде, что они позволят большему количеству света проникать в полог культуры и повысить общую эффективность использования света и урожайность. Эта стратегия была проверена в ходе недавнего модельного исследования, которое показало, что листья с пониженным содержанием хлорофилла на самом деле не улучшают фотосинтез на уровне кроны, а вместо этого сохраняют значительное количество азота, которое растение могло бы реинвестировать для повышения эффективности использования света и повышения урожайности..
«Листья на вершине кроны очень жадные - они поглощают много света и не пропускают много света к своим братьям и сестрам под ними», - сказал Беркли Уокер, научный сотрудник Александра фон Гумбольдта. в Университете Дюссельдорфа, который руководил этой работой при поддержке организации «Повышение эффективности фотосинтеза» (RIPE). «Листья наверху не очень эффективны с этой световой энергией, но листья внизу очень эффективны. Итак, если бы вы могли просто взять часть этого света, который задерживается наверху, и переместить его глубже вниз в купол, теоретически у вас будет более эффективный купол."
Опубликовано в журнале Plant Physiology, исследователи проверили эту идею с помощью компьютерного моделирования, включающего данные почти 70 сортов сои с различным уровнем хлорофилла из банка гермоплазмы Министерства сельского хозяйства США. Они обнаружили, что растениям с на 20 процентов меньше хлорофилла теоретически требуется на 9 процентов меньше азота без ущерба для прироста углерода (биомасса) и урожайности.
«Моделирование показывает, что сложная внутренняя структура листьев заставляет свет отражаться настолько сильно, что вероятность того, что свет поднимается вверх, равна вероятности опускания вниз», - сказал заместитель директора RIPE Дон Орт, физиолог. с отделом исследований фотосинтеза Министерства сельского хозяйства США/ARS и профессором биологии растений и растениеводства Роберта Эмерсона в Институте геномной биологии Карла Р. Вёзе при Университете Иллинойса. «Когда мы уменьшаем количество хлорофилла, больше света теряется на отражение, и мы не получаем всех преимуществ от проникновения света глубже в листву, где он может быть поглощен».
Затем они изучают, можно ли использовать эту экономию азота для устранения других узких мест фотосинтеза, а также для других способов увеличения проникновения света в полог.
«Дело не закрыто в отношении светло-зеленых растений, но стратегия будет немного более тонкой, чем просто выращивание растений с более низким содержанием хлорофилла», - сказал Уокер.«Нам нужно выяснить, можно ли сочетать светло-зеленый цвет с изменениями в архитектуре листа или же мы можем реконструировать листья, чтобы они стали тоньше, чтобы уменьшить коэффициент отражения света и улучшить пропускание».
Другая работа, финансируемая RIPE, которая моделировала снижение содержания хлорофилла в рисе, показала, что перераспределение этой экономии азота может улучшить фотосинтез растительного покрова и эффективность использования азота на 30 процентов. По словам сотрудника Китайской академии наук Сингуан Чжу, «управление содержанием хлорофилла в листьях - это один из захватывающих вариантов изучения повышения эффективности использования энергии и света. Это исследование показывает, что для получения желаемого результата требуется более глубокое понимание оптических свойств листа. и модели распределения азота среди фотосинтетических белков в листе».