Afgrøder vokser tætte baldakiner, der består af flere lag blade - de øverste lag med yngre solblade og de nederste lag med ældre skyggefulde blade, der kan have svært ved at opsnappe sollys, der siver ned fra de øverste lag.
I en nylig undersøgelse offentliggjort i Food and Energy Security, sigtede forskere fra Realizing Increased Photosynthetic Efficiency (RIPE) på at forstå, hvor meget variation der findes inden for forskellige cowpea-linjer i lysabsorption og kuldioxid (CO2)) assimilering i hele baldakinen. Disse oplysninger kan i sidste ende bruges til at designe mere effektive baldakiner - med større CO2 assimilering og vandforbrugseffektivitet - for at øge udbyttet.
RIPE, som ledes af University of Illinois, udvikler afgrøder til at være mere produktive ved at forbedre fotosyntesen, den naturlige proces, alle planter bruger til at omdanne lysenergi til at producere biomasse og udbytte. RIPE er støttet af Bill & Melinda Gates Foundation, U. S. Foundation for Food and Agriculture Research (FFAR) og den britiske regerings departement for international udvikling (DFID). En af målafgrøderne i RIPE-projektet er cowpea.
Cowpeas, almindeligvis kendt som black-eyed peas i USA, er en af de ældste domesticerede afgrøder i verden, der er ansvarlige for at brødføde mere end 200 millioner mennesker om dagen.
"De er en basisafgrøde i Afrika, der giver en kilde til protein til mennesker og husdyr, og genopretning af jordens ernæring gennem nitrogenfiksering," sagde Lisa Ainsworth, en forskningsplantefysiolog ved U. S. S. Department of Agriculture, Agricultural Research Service (USDA-ARS).
RIPE-teamet screenede 50 cowpea-genotyper fra en multi-forældre avanceret generation af inter-cross (MAGIC) population for kronearkitekturtræk, canopy-fotosyntese og vandforbrugseffektivitet ved at bruge et baldakingasudvekslingskammer. Dette kammer blev brugt til at måle den hastighed, hvormed planter ville omdanne CO2 i atmosfæren til kulhydrater som energi til vækst.
"Da Afrika syd for Sahara er den region, hvor der fortsat er vigtige udbyttegab, er det afgørende, at vi udvikler en højtydende afgrøde, der let kan dyrkes der," sagde førsteforfatter Anthony Digrado, en USDA-ARS postdoc-forsker i Ainsworths laboratorium med base i Illinois. "Det vil sige, at vandforbrugseffektivitet bør tages alvorligt i betragtning, når der udvikles nye sorter til afrikanske lande syd for Sahara, som er udfordret af adgang til vand i flere regioner."
Teamet brugte Principal Component Analysis (PCA)-modeller til først at gruppere de 50 MAGIC genotyper i fem overordnede baldakinarkitektoniske typer for at studere planteegenskaber, herunder bladarealindeks, bladgrønhed og kronehøjde og -bredde. Denne analyse gav forskerne mulighed for at samle et overblik over de egenskaber eller kombinationer af egenskaber, der kunne modificeres til at have den stærkeste indvirkning på baldakinens fotosyntese for at maksimere væksten.
Canopy-arkitektur bidrog til 38,6 procent af den varians, der blev observeret i canopy-fotosyntesen. Resultaterne viste, at i baldakiner med lavere biomasse var den største begrænsning for kronefotosyntese bladarealet; Men i baldakiner med højere biomasse var den væsentligste begrænsende faktor i stedet lysmiljøet. Baldakiner med høj biomasse har større kronefotosyntese, når blade i toppen af baldakinen har lavere klorofylindhold.
Samlet set påvirkede baldakinarkitekturen markant baldakinens fotosynteseeffektivitet og vandforbrugseffektiviteten, hvilket tyder på, at optimering af baldakinstrukturer kan bidrage til udbytteforbedring i afgrøder.
"Vandforbrugseffektivitet refererer til mængden af CO2 assimileret af en afgrødekrone i forhold til den mængde vand, der går tabt af baldakinen," sagde Digrado, som ledet dette arbejde på Carl R. Woese Institut for Genomisk Biologi (IGB). "Det ideelle for en afgrøde er at kunne have et stort kulstofindtag uden at miste for meget vand."
Den MAGISKE cowpea-population, som holdet brugte, matcher disse kriterier for en ideel afgrøde, især en afgrøde, der skal dyrkes under tørkeforholdene i Afrika. Men forskning i, hvordan baldakinarkitektur påvirker baldakin CO2 assimilering og vandforbrugseffektivitet i cowpea er fortsat sparsom.
"Der er stadig meget at gøre for at forbedre udbyttet af koærter, og der er behov for meget mere forskning," sagde Digrado. "Men dette arbejde har fastslået, at der eksisterer variation, som kan bruges til at forbedre produktiviteten og effektiviteten af en vigtig fødevaresikkerhedsafgrøde."
RIPE-projektet og dets sponsorer er forpligtet til at sikre global adgang og gøre projektets teknologier tilgængelige for de landmænd, der har mest brug for dem.
