Tack för den här artikeln, gå till Diana Yates, Life Sciences Editor, University of Illinois News Bureau
Lantbruksforskare som studerar klimatförändringar fokuserar ofta på hur ökande koldioxidnivåer i atmosfären kommer att påverka skördarna. Men stigande temperaturer kommer sannolikt att komplicera bilden, rapporterar forskare i en ny recension av ämnet.
Publicerad i Journal of Experimental Botany, undersöker recensionen hur högre temperaturer påverkar växternas tillväxt och livsduglighet trots den större tillgången på atmosfärisk CO2 , en nyckelkomponent i fotosyntesen. Överdriven värme kan minska effektiviteten hos enzymer som driver fotosyntesen och kan hindra växters förmåga att reglera CO2 , upptag och vattenförlust, skriver forskarna. Strukturella egenskaper kan göra växter mer – eller mindre – mottagliga för värmestress. Ekosystemattribut – som växternas storlek och täthet, placeringen av löv på växter eller lokala atmosfäriska förhållanden – påverkar också hur värmen kommer att påverka skördarna.
Granskningen beskriver de senaste vetenskapliga ansträngningarna för att hantera dessa utmaningar.
"Det är viktigt att ha en förståelse för dessa frågor över skalor – från biokemin hos enskilda löv till influenser på ekosystemnivå – för att verkligen ta itu med dessa problem på ett välgrundat sätt", säger huvudförfattaren Caitlin Moore , en forskare vid University of Western Australia och en affiliate forskare vid Institute for Sustainability, Energy, and Environment vid University of Illinois Urbana-Champaign. Moore ledde recensionen med Amanda Cavanagh , en annan U. of I. alumna nu vid University of Essex i Storbritannien.
"Historiskt har det varit mycket fokus på ökande koldioxid och den inverkan det har på växter", säger medförfattaren Carl Bernacchi , professor i växtbiologi och av grödevetenskap och en filial till Carl R. Woese Institute for Genomic Biology vid U. of I. ”Och det är en viktig faktor, eftersom vi förändrar den koldioxidkoncentrationen enormt. Men det är en liten del av den större historien. När du väl kastar in växlande temperaturer i mixen, förstör det fullständigt vår förståelse av hur växter kommer att reagera.”
"Ta Rubisco, nyckelenzymet som fixerar koldioxid till sockerarter, vilket gör livet på jorden möjligt," sa Cavanagh. "Rubisco ökar snabbare när temperaturen ökar, men den är också benägen att göra misstag."
Istället för att fixera koldioxid genom att binda den till sockerarter, ett nyckelsteg i fotosyntesen, fixar Rubisco ibland syre och initierar en annan väg som slösar bort en växts resurser. Högre temperaturer gör detta mer sannolikt, sa Cavanagh. Vid ännu högre temperaturer kommer enzymet att börja förlora sin strukturella integritet, vilket gör det ineffektivt.
Överdriven värme kan också undergräva en växts reproduktionseffekt. Andra värmekänsliga enzymer är viktiga för växters ljusskördande maskineri eller spelar en roll för att flytta sockerarter till olika växtvävnader, vilket gör att växten kan växa och producera spannmål eller frukt.
"Om dessa små molekylära maskiner trycks ut ur det temperaturintervall som är optimalt, då kan de inte göra sitt jobb," sa Cavanagh.
När temperaturen stiger för högt öppnar växtbladen porerna på deras ytor, kallade stomata, för att kyla sig själva. Stomata tillåter också växter att absorbera koldioxid från atmosfären, men när de är helt öppna kan bladet förlora för mycket fukt.
"Temperaturen påverkar atmosfären ovanför växten," sa Moore. "När atmosfären värms upp kan den hålla mer vatten, så den drar mer vatten från växterna."
Forskare i Illinois och på andra håll letar efter sätt att förbättra växternas motståndskraft inför dessa förändringar. Moore, vars arbete fokuserar på faktorer i ekosystemskala, sa att nya verktyg som kan hjälpa till att screena växter i stor skala är avgörande för den ansträngningen. Till exempel kan satelliter som kan upptäcka förändringar i klorofyllfluorescens i växter indikera om en gröda är under värmestress. Dessa förändringar i fluorescens kan upptäckas innan växten visar några yttre tecken på värmestress – som att deras blad blir bruna. Att utveckla dessa verktyg kan göra det möjligt för bönder att reagera snabbare på stress på grödor innan alltför stor skada görs.
Cavanagh, som studerar växternas molekylära biologi och fysiologi, sa att vissa växter är mer värmetoleranta än andra, och att forskare söker deras genom efter ledtrådar till deras framgång.
"Till exempel kan du titta på vilda australiensiska släktingar till ris som växer i mycket tuffare klimat än de flesta paddyris," sa hon. "Och du ser att deras enzymer är förberedda för att arbeta mer effektivt vid varmare temperaturer."
Ett mål är att överföra värmetoleranta gener till odlade rissorter som är mer mottagliga för värmestress.
Andra strategier inkluderar tekniska strukturer som pumpar mer CO2 , till platsen för kolfixering för att förbättra Rubiscos effektivitet; ändra de ljussamlande egenskaperna hos löv i toppen och bottnen av växter för att jämna ut fördelningen av solljus och upprätthålla fuktnivåer; och att ändra stomatas densitet för att förbättra deras kontroll av CO2 , inflöde och fuktförlust.
Samarbete mellan forskare fokuserat på olika skalor av ekosystem och växtfunktion – från atmosfären till molekylären – är avgörande för framgången för ansträngningarna att bygga motståndskraft i växtväxter, sa forskarna.
"Världen blir varmare i en chockerande takt," sa Cavanagh. "Och vi vet från globala modeller att varje ökning av bruttotemperaturen Celsius kan orsaka 3% till 7% förluster i avkastning av våra fyra huvudgrödor. Så det är inget vi kan ignorera.
"Det som gör mig optimistisk är insikten att det ligger så mycket arbete på att globalt lösa detta problem", sa hon.
Cavanagh och Bernacchi är anslutna till projektet Realizing Increased Photosynthetic Efficiency vid U. of I. Moore är också en affiliate av Center for Advanced Bioenergy and Bioproducts Innovation i Illinois. Bernacchi är forskningsfysiolog för växtfysiologi vid U.S.A. Department of Agriculture, Agricultural Research Service.
Artikeln "Effekten av att öka temperaturen på grödans fotosyntes:Från enzymer till ekosystem" är tillgänglig online och från U. av I. News Bureau.
