Die Gesamtwachstumsform einer Pflanze und die Anordnung ihrer Teile, oder architektonische Merkmale, beeinflussen die Menge der Sonnenlichtenergie, die die Blätter im Blätterdach erreicht. Dies wiederum beeinflusst die Photosynthese, die für das Pflanzenwachstum und die Produktion von Biomasse unerlässlich ist.
Die Effizienz der Photosynthese hängt stark vom begrenzten Stickstoff ab, der für Investitionen in Proteine zur Verfügung steht, die für die Gewinnung von Lichtenergie und die Umwandlung dieser Energie in Kohlenhydrate (Carboxylierung) verantwortlich sind. Die optimale Stickstoffverteilung zwischen diesen beiden Photosynthesefunktionen ist für eine effiziente Photosynthese von entscheidender Bedeutung und wird als deren bezeichnet photosynthetische Akklimatisierungsstrategie.
Während ihrer Promotion an der Leibniz Universität Hannover Dr. Yi-Chen Pao leitete eine Studie über die Koordination zwischen photosynthetischer Akklimatisierungsstrategie und architektonischen Merkmalen zur Maximierung der Photosynthese im Blätterdach. Diese Arbeit war vor kurzem veröffentlicht in der Zeitschrift in silico Asphaltmischanlagen.
Für das erste Experiment verwendeten die Autoren ein mechanistisches Gurkenmodell zuvor entwickelt von Pao und Kollegen, um die optimale Koordination zwischen photosynthetischer Akklimatisierungsstrategie und architektonischen Merkmalen zu untersuchen. Sie führten Simulationen von Pflanzen mit unterschiedlichen Blattwinkeln durch und beobachteten die Muster der photosynthetischen Stickstoffverteilung. Die in den Modellen verwendeten Parameterwerte wurden aus früheren Studien ermittelt.
Sie fanden heraus, dass die Stickstoffinvestitionen bei der Lichtgewinnung höher waren als bei der Umwandlung von Kohlenhydraten unter Bedingungen, die zu einer geringen Lichtdurchdringung im Blätterdach führten. Dazu gehörten Zeiten am frühen Tag, an denen die kumulative Sonneneinstrahlung gering war und die Blätter eher horizontal standen, was zu Selbstbeschattung führte.
In einem zweiten Experiment testeten die Autoren, ob bei realen Gurkensorten eine optimale Koordination zwischen photosynthetischer Akklimatisierungsstrategie und architektonischen Merkmalen beobachtet werden konnte. Sie wählten zwei gegensätzliche Sorten:
- Aramon hatte größere, senkrechtere Blätter und
- SC-50 hatte kleinere, horizontalere Blätter.
Die Pflanzen wurden unter optimalen Gewächshausbedingungen gezüchtet. Drei Wochen lang führten die Forscher Messungen verschiedener architektonischer Merkmale der Pflanzen durch, wie zum Beispiel den Blattwinkel, den Blattflächenindex und das Ausmaß der Lichteindringung durch das Blätterdach. Darüber hinaus haben sie die Photosynthese und den Blattstickstoff gemessen, die zur Berechnung der photosynthetischen Stickstoffvorräte verwendet wurden.
Das reale Experiment bestätigte dies in silico Ergebnisse: Bei beiden Sorten wurde der Stickstoffinvestition gegenüber der Carboxylierung bei starkem Licht und der Lichternte bei schwachem Licht Vorrang eingeräumt. „Es ist nicht überraschend, dass die Simulation reale Reaktionen genau vorhersagte. Es ist erstaunlich, wie sich Pflanzen an ihre Umgebung anpassen können, und wir können dies mithilfe einfacher Modelle erfassen“, sagte Pao.
Um festzustellen, ob die beiden Sorten beim Anbau in einem Blätterdach eine optimale Abstimmung zwischen architektonischen Merkmalen und photosynthetischen Akklimatisierungsstrategien aufwiesen, führten sie die Modellsimulationen erneut durch, diesmal unter Einbeziehung architektonischer Parameter, die aus dem realen Sortenexperiment abgeleitet wurden. Zu den sortenspezifischen Parametern gehörten die Architektur (Blattwinkel, -größe und -dichte) und der Anteil des Blattstickstoffs, der für die Photosynthese bereitgestellt wird. Die theoretisch optimale Stickstoffaufteilung zwischen Lichteinfang und Kohlenhydratumwandlung wurde als die Kombination bestimmt, die zur höchsten täglichen Photosyntheserate führte.
Die Einhaltung der Optimalität schwankte über das Spektrum der Lichtverfügbarkeit bei beiden Sorten, aber SC-50 kam dem Optimum am nächsten. „SC-50 hat horizontale Blätter, die mehr Licht einfangen, und eine reaktionsfähigere Stickstoffverteilung, wodurch es den Bedürfnissen von Blättern gerecht werden kann, die unterschiedlichen Lichtstärken ausgesetzt sind. „Das ist eine kluge Strategie, um Funktion und Architektur bei starker Lichtkonkurrenz zu koordinieren“, erklärte Pao.
Die Verwendung von Computermodellen spielte eine entscheidende Rolle bei der Bereitstellung eines umfassenden Überblicks über die genotypische Variation in photosynthetischen Akklimatisierungsstrategien, Baumkronenarchitekturen und deren optimale Koordination in dieser Studie.
DER ARTIKEL::
Yi-Chen Pao, Hartmut Stützel, Tsu-Wei Chen, Optimal coordination between photosynthetic acclimation strategy and canopy architecture in two contrasting cucumber cultivars, in silico Plants, Volume 5, Issue 2, 2023, diad014, https://doi.org/10.1093/insilicoplants/diad014
Dieser Artikel ist Teil der Sonderausgabe zum Thema Multiskalenmodellierung der Photosynthese
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