Det är möjligt att konstruera ökad mesofyllkonduktans i växter enligt ny forskning från University of Illinois. Mesofyllkonduktans spelar en nyckelroll i fotosyntesen och hänvisar till den lätthet med vilken CO2 kan diffundera genom ett blads celler innan det når platsen där det slutligen förvandlas till socker för att mata växten (kolfixering).
CO2 möter barriärer när den rör sig genom bladet, inklusive sina egna cellväggar. Forskare från Long Lab fann att genom att öka permeabiliteten och något minska tjockleken på cellväggarna kunde de öka CO2 diffusion och upptag i en modellgröda.
"Detta är ett av de få framgångsrika koncepttester som visar att vi kan konstruera en ökning av mesofyllkonduktans och få det att resultera i ökad fotosyntes i fältet", säger Coralie Salesse-Smith, postdoktor vid Long Lab och huvudförfattare på en artikel om forskningen, publicerad i Plant Biotechnology Journal .
"Teorin visar oss att ökad mesofyllkonduktans för att öka fotosyntesen kan uppnås utan kostnaden för mer vatten. Detta är viktigt med tanke på det akuta behovet av ökad växtodling och hållbar vattenanvändning."
Fotosyntes är den naturliga process som alla växter använder för att omvandla solljus, vatten och koldioxid till energi och avkastning. CO2 s resa till att bli användbar socker (energi) för växten, börjar när den passerar genom små hål i bladen som kallas stomata.
För att CO2 för att nå kloroplasten (där den omvandlas till socker) måste den färdas genom ett antal barriärer, inklusive cellväggen. Teamet antog att om de kunde förbättra CO2 diffusion över cellväggen genom att göra dessa barriärer lättare att passera, skulle det förbättra mesofyllkonduktansen och i sin tur fotosyntetisk effektivitet. Ökad mesofyllkonduktans innebär att mer CO2 kommer att vara tillgänglig för växten att förvandlas till mat.
En tidigare artikel av Salesse-Smiths Realizing Increased Photosynthetic Efficiency (RIPE) kollegor visade att tunnare cellväggar är förknippade med högre mesofyllkonduktans. Detta tyder på att en avsiktlig minskning av tjockleken på väggarna kan förändra hur lätt CO2 rör sig genom löv, vilket potentiellt ökar fotosyntesen. Inspirerad av detta papper ville Salesse-Smith testa denna idé i en modellfabrik.
Efter en genomgång av litteraturen, minskade Salesse-Smith sitt fokus till att överuttrycka, eller öka mängden av, CGR3, en gen som har visat sig förändra cellväggskomponenter. Denna gen sattes in i en tobaksart och odlades tillsammans med växter utan genen i ett fältförsök under odlingssäsongen 2022. Tobak användes som modellväxt eftersom det är lättare att arbeta med i laboratorie- och fältmiljöer, och även för att det gjorde det möjligt för forskarna att testa genetiken i en snabbare takt än med en livsmedelsgröda.
"Att rikta in cellväggen var mycket viktigt eftersom det är en av huvudkomponenterna som begränsar mesofyllkonduktansen. Att minska dess tjocklek och göra den mer permeabel skulle göra det lättare för CO2 för att komma till platsen för kolfixering", säger Salesse-Smith, RIPE-postdoktor vid Long Lab vid University of Illinois Urbana-Champaign.
"Genom att överuttrycka den riktade genen kunde vi minska cellväggtjockleken och öka dess permeabilitet, vilket, som vi antog, slutade med att öka mesofyllkonduktansen och i sin tur fotosyntesen."
RIPE, som leds av Illinois, utvecklar grödor för att bli mer produktiva genom att förbättra fotosyntesen, den naturliga process som alla växter använder för att omvandla solljus till energi.
Växterna som överuttryckte CGR3-genen visade en minskning av cellväggtjockleken på 7–13 % och en ökning i porositet på 75 % jämfört med växterna utan denna tillagda gen. Teamet uppnådde sitt mål att göra förändringar i cellväggen, men det verkliga måttet på framgång var när data också visade en 8% ökning av fotosyntesen i fält.
"Vi hoppades att den här ändringen skulle tillåta mer CO2 att komma in i kloroplasten och användas för att skapa energi i form av socker, och det är vad som hände, men bara för att det fungerade i en modellgröda betyder det inte att du får samma resultat med en matgröda, säger Salesse. Smith.
"Det är viktigt att testa vad som händer i sojabönor för att se om samma förbättringar i mesofyllkonduktans och fotosyntes kommer att uppnås, och om det leder till förbättringar i avkastning."
Beväpnad med dessa resultat, arbetar teamet för att testa denna modifiering i sojabönor, för att se om ökad fotosyntes, vattenanvändningseffektivitet och avkastning kan erhållas i en matgröda. Fältförsök med sojabönor kan äga rum redan under odlingssäsongen 2025.
Mer information: Större mesofyllkonduktans och bladfotosyntes i fält genom modifierad cellväggporositet och tjocklek via AtCGR3-uttryck i tobak, Plant Biotechnology Journal (2024). DOI:10.1111/pbi.14364. onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pbi.14364
Journalinformation: Plant Biotechnology Journal
Tillhandahålls av University of Illinois i Urbana-Champaign
