Forskare från Wageningen University &Research har hittat naturlig genetisk variation för fotosyntes i växter och håller på att nysta upp den till DNA-nivå. Som ett resultat borde det vara möjligt att odla grödor som använder fotosyntes mer effektivt i framtiden, öka sin avkastning och göra det möjligt för dem att fånga upp mer CO2 från luften i marken. Detta är ett stort steg på den långa vägen för att lösa globala livsmedelsutmaningar och förverkliga Parisavtalet.

Under ledning av Mark Aarts och Jeremy Harbinson, ett team av forskare har visat att thale cress (en vanlig modellväxt) har olika gener involverade i anpassningen till förändringar i mängden ljus som växter utsätts för. Deras studie publiceras i en artikel i Naturkommunikation .

En gen har redan studerats i detalj. Känd som Yellow Seedling 1-genen, det är involverat i anpassningen av kloroplaster till ljusförändringar. På grund av en variation i denna gen, vissa krasseväxter kan hantera en ökning av ljuset (skillnaden mellan en molnig och en solig dag, till exempel) bättre än andra. Det är första gången som denna variation har hittats i krasse, men eftersom generna för fotosyntes förekommer i nästan alla växtarter, forskarna förväntar sig att en liknande variation kan hittas i många andra grödor också.

Upptäckten visar att det är möjligt att förbättra fotosyntesen baserad på naturlig genetisk variation, något som varit tveksamt fram till nu. I längden, avel på förbättrad fotosyntes kan få grödor att producera mer avkastning med samma mängd jord, vatten och näringsämnen. Detta ger begreppet 'mer' (avkastning) 'med mindre' (jord, vatten och näringsämnen) ett steg närmare.

Vissa växter anpassar sitt fotosyntessystem

Växter behöver ljus för att omvandla CO2 och vatten till socker och syre. Sockerarterna utgör basen och energikällan för alla ämnen som en växt producerar för att växa. Vi vet sedan länge att växter kan reagera annorlunda mot ljus, som visas i effektiviteten av deras fotosyntes. Förfäderna till de grödor vi äter dagligen behövde denna variation för att på bästa sätt utnyttja de platser där de växte. Det tillät dem att utvecklas både i fullt solljus och i skuggan av andra växter.

Medan fotosyntes är en väsentlig process för växter, det riskerar och kräver en hög kontrollnivå för att hantera energiströmmar. Om en växt plötsligt utsätts för för mycket ljus, den måste anpassa sig till den nya situationen. Växter skyddar sig i allmänhet mot överdriven fotosyntes genom att upprätthålla olika säkerhetsmarginaler, vilket innebär att anpassningen tar flera dagar. Studien från Wageningens forskare visar nu att vissa växter kan anpassa sig snabbare än andra, och kan därmed anpassa sitt fotosyntessystem till sin miljö tidigare.

Urval på fotosyntes i avel

Nu för tiden, vi odlar grödor i en miljö som är mycket lättare att kontrollera än de ursprungliga naturförhållandena. Till exempel, växter får nu tillräckligt med näring och vatten, anpassad till maximal tillväxt. På grund av den snabba utvecklingen inom jordbruket under det senaste århundradet, växterna har ännu inte kunnat anpassa sig till dessa nya förhållanden. Man kan säga att de fortfarande är försiktiga och reagerar relativt långsamt på plötsliga förändringar som för mycket ljus. Växter som kan anpassa sig till förändrade ljusförhållanden snabbare kommer att kunna använda det tillgängliga vattnet och näringsämnena mer effektivt, så småningom ger ett högre utbyte.

Så varför kommer det så lite urval på effektivare fotosyntes i avel? Man trodde länge att fotosyntesen var naturligt optimerad och att lite kunde vinnas vid avel. Dessutom, det är mycket svårt att mäta det genetiska bidraget till variationen av fotosyntes hos växter i fält, vilket gör det svårt att välja fotosyntes utan förkunskaper. Eftersom fotosyntesen är så känslig för väderförhållanden, variationer i fält - även mellan genetiskt identiska växter - är ofta betydande.

"Vi utförde våra experiment under hårt kontrollerade förhållanden, så att vi kan hålla variationen i miljöfaktorerna till ett minimum, " säger Aarts. "Vi mätte sedan fotosyntesen av alla växter i experimentet vid olika tidpunkter på dygnet och med en identisk metod, och endast tillämpat en enda stressfaktor:en engångsökning av ljusmängden. Detta tillät oss att exakt bestämma det genetiska bidraget till hur växter anpassade sig till den nya stressiga situationen. Vi använde en av de gener vi hittade för att studera variationen i DNA -sekvens mellan de olika växterna i detalj. "

Nya grödor

Fynden erbjuder avelsföretag nya möjligheter. Vi vet nu att växter reagerar på ljusvariationer på sitt eget sätt, och att detta bestäms i deras DNA. Vi vet ännu inte hur dessa anpassningar fungerar i anläggningen, dock, och mer forskning krävs för att ta reda på hur förbättrad fotosyntes påverkar plantans tillväxt innan vi kan fokusera på urval för den här egenskapen.