Welkom bij
Moderne landbouw
!
Bedankt voor dit artikel, ga naar Diana Yates, Life Sciences Editor, University of Illinois News Bureau
Landbouwwetenschappers die klimaatverandering bestuderen, richten zich vaak op hoe toenemende koolstofdioxidegehalten in de atmosfeer de gewasopbrengsten zullen beïnvloeden. Maar stijgende temperaturen zullen het beeld waarschijnlijk compliceren, melden onderzoekers in een nieuwe recensie van het onderwerp.
De recensie, gepubliceerd in het Journal of Experimental Botany, onderzoekt hoe hogere temperaturen de groei en levensvatbaarheid van planten beïnvloeden, ondanks de grotere beschikbaarheid van atmosferische CO2 , een belangrijk onderdeel van fotosynthese. Overmatige hitte kan de efficiëntie verminderen van enzymen die de fotosynthese aansturen en kan het vermogen van planten om CO te reguleren belemmeren2 , opname en waterverlies, schrijven de onderzoekers. Structurele kenmerken kunnen planten meer of minder vatbaar maken voor hittestress. Ecosysteemattributen, zoals de grootte en dichtheid van planten, de plaatsing van bladeren op planten of plaatselijke atmosferische omstandigheden, hebben ook invloed op de invloed van warmte op de gewasopbrengst.
De review beschrijft de laatste wetenschappelijke inspanningen om deze uitdagingen aan te gaan.
"Het is belangrijk om deze problemen op verschillende schaalniveaus te begrijpen - van de biochemie van individuele bladeren tot invloeden op ecosysteemniveau - om deze problemen echt op een geïnformeerde manier aan te pakken", zegt hoofdauteur Caitlin Moore , een research fellow aan de University of Western Australia en een affiliate research fellow aan het Institute for Sustainability, Energy, and Environment aan de Universiteit van Illinois Urbana-Champaign. Moore leidde de recensie met Amanda Cavanagh , een andere U. of I. alumna die nu aan de Universiteit van Essex in het Verenigd Koninkrijk studeert.
"Historisch gezien is er veel aandacht geweest voor stijgende CO2 en de impact die het heeft op planten", zegt co-auteur Carl Bernacchi , een professor in de plantenbiologie en van gewaswetenschappen en een filiaal van het Carl R. Woese Institute for Genomic Biology aan de U. of I. “En het is een belangrijke factor, want die kooldioxideconcentratie veranderen we enorm. Maar het is een klein onderdeel van het grotere verhaal. Als je eenmaal veranderende temperaturen in de mix gooit, verpest dat ons begrip van hoe planten zullen reageren.”
"Neem Rubisco, het belangrijkste enzym dat koolstofdioxide in suikers fixeert, waardoor leven op aarde mogelijk wordt", zei Cavanagh. "Rubisco versnelt naarmate de temperatuur stijgt, maar is ook vatbaar voor fouten."
In plaats van koolstofdioxide te binden door het te binden aan suikers, een belangrijke stap in de fotosynthese, legt Rubisco soms zuurstof vast, waardoor een ander pad wordt gestart dat de hulpbronnen van een plant verspilt. Hogere temperaturen maken dit waarschijnlijker, zei Cavanagh. Bij nog hogere temperaturen begint het enzym zijn structurele integriteit te verliezen, waardoor het ineffectief wordt.
Overmatige hitte kan ook het voortplantingsvermogen van een plant ondermijnen. Andere warmtegevoelige enzymen zijn essentieel voor de lichtoogstmachines van planten of spelen een rol bij het verplaatsen van suikers naar verschillende plantenweefsels, waardoor de plant kan groeien en granen of fruit kan produceren.
"Als deze kleine moleculaire machines buiten het temperatuurbereik worden geduwd dat optimaal is, kunnen ze hun werk niet doen", zei Cavanagh.
Wanneer de temperatuur te hoog oploopt, openen plantenbladeren de poriën op hun oppervlak, huidmondjes genaamd, om zichzelf af te koelen. Huidmondjes zorgen er ook voor dat planten kooldioxide uit de atmosfeer kunnen opnemen, maar als ze volledig open staan, kan het blad te veel vocht verliezen.
"Temperatuur beïnvloedt de atmosfeer boven de plant," zei Moore. "Naarmate de atmosfeer opwarmt, kan het extra water vasthouden, dus het trekt meer water aan de planten."
Wetenschappers in Illinois en elders zoeken naar manieren om de weerbaarheid van gewassen tegen deze veranderingen te vergroten. Moore, wiens werk zich richt op factoren op ecosysteemschaal, zei dat nieuwe tools die kunnen helpen bij het screenen van planten op grote schaal essentieel zijn voor die inspanning. Satellieten die veranderingen in chlorofylfluorescentie in planten kunnen detecteren, kunnen bijvoorbeeld aangeven of een gewas onder hittestress staat. Deze veranderingen in fluorescentie zijn waarneembaar voordat de plant uiterlijke tekenen van hittestress vertoont, zoals bruin worden van de bladeren. Door deze tools te ontwikkelen, kunnen boeren mogelijk sneller reageren op gewasstress voordat er te veel schade wordt aangericht.
Cavanagh, die de moleculaire biologie en fysiologie van planten bestudeert, zei dat sommige planten hittetoleranter zijn dan andere, en dat wetenschappers hun genomen doorzoeken op aanwijzingen voor hun succes.
"Je kunt bijvoorbeeld kijken naar wilde Australische verwanten van rijst die groeien in veel hardere klimaten dan de meeste padie," zei ze. "En je ziet dat hun enzymen voorbereid zijn om efficiënter te werken bij hogere temperaturen."
Een doel is om hittetolerante genen over te brengen naar gecultiveerde rijstvariëteiten die gevoeliger zijn voor hittestress.
Andere strategieën zijn technische constructies die meer CO2 pompen , naar de plaats van koolstoffixatie om de efficiëntie van Rubisco te verbeteren; het veranderen van de lichtopvangende eigenschappen van bladeren aan de boven- en onderkant van planten om de verdeling van zonlicht gelijkmatig te verdelen en het vochtgehalte op peil te houden; en het veranderen van de dichtheid van huidmondjes om hun controle over CO2 te verbeteren , instroom en vochtverlies.
Samenwerking tussen wetenschappers gericht op verschillende schalen van ecosysteem- en plantfunctie - van atmosferisch tot moleculair - is essentieel voor het succes van inspanningen om veerkracht op te bouwen in gewassen, aldus de onderzoekers.
"De wereld wordt in een schokkend tempo heter", zei Cavanagh. "En we weten uit wereldwijde modellen dat elke stijging van de brutotemperatuur in graden Celsius 3% tot 7% opbrengstverlies kan veroorzaken van onze vier belangrijkste gewassen. Het is dus niet iets dat we kunnen negeren.
"Wat me optimistisch maakt, is het besef dat er zoveel werk wordt verzet om dit probleem wereldwijd op te lossen", zei ze.
