Kardeşlerinin kürekli denizinde çalkalanan, sapının en alt basamağına indirilmiş bir mısır yaprağı, bir Haziran öğleden sonrasının büyük bir kısmını üstlerin gölgesinde sırılsıklam ederek geçirir.
Ardından bir esinti, mumsu kanatları uyum içinde itmeye, çekmeye ve döndürmeye başlar ve 93 milyon mil uzakta yuvarlanan ateş topunun camını kırar. Güneş ışığını yiyeceğe dönüştürmek için fotosentez için birinci sınıf, değerli bir fırsat. Ne yazık ki, bir aşırı gerilim koruyucunun fotosentetik eşdeğeri -biri bitkilerin ani yüksek yoğunluklu ışık artışlarının neden olduğu hasarı hafifletmesine yardımcı olmak için geliştirildi- gölgede bu kadar uzun süre kaldıktan sonra sıfırlanması yavaştır. Rüzgâr dağılır, yaprağın ve onun hücreli mutfağının yararlanabileceği andan önceki an.
Bir yaz boyunca harcanan o dakikalar kadar hafif hasat fırsatı, mısır tarlalarına ve onları ekenlere, sonbaharda elde ettikleri potansiyel hasadın önemli bir kısmına mal olabilir. Son zamanlarda yeni etkiyi belirleyerek ve ölçerek genler Aşırı gerilim koruyucuyu düzenleyen Nebraska-Lincoln Üniversitesi'nden Kasia Glowacka ve meslektaşları, bu verimleri %20'ye kadar artırmaya yardımcı olabilir.
Bu, fotokimyasal olmayan söndürme veya NPQ adı verilen ve bir bitki fotosenteze koyabileceğinden daha fazlasını emdiğinde ışığı ısıya dönüştürebilen korumanın önemini küçümsemez. Sonuçta, biyokimyasal devrenin kesilmemesi, DNA'ya zarar veren ve hatta bir hücreyi öldürebilen toksik bir ultra-reaktif oksijen oluşumuna yol açabilir. Ancak güvenlik önleminin bir dezavantajı var: Gevşemek ve emilen ışığın fotosenteze yakıt sağlamasına izin vermek ne kadar yavaşsa, enerji veren ışığı o kadar fazla boşa harcar.
"Bir kloroplast açısından düşündüğünüzde, bitki hücresiNebraska'da biyokimya yardımcı doçent olan Glowacka, "Hayat gerçekten zor" dedi. "Her birkaç saniyede bir ortam değişiyor."
2016'da Glowacka, üç belirli genin aktivitesini artırmanın izin verdiğini gösteren bir araştırmaya katkıda bulundu. tütün bitkileri NPQ'yu çok daha hızlı açıp kapatmak, hem daha iyi koruma hem de daha verimli fotosentez sağlamak. Üretilen bu tütün, kabaca %20 daha büyük bırakır ve simülasyonlar daha da büyük kazançların mümkün olabileceğini düşündürür. Takip araştırması, aynı tekniğin soya fasulyesinde de benzer faydalar sağlayabileceğini buldu - sadece yapraklar için değil, fasulyeler için de.
Ancak tütün ve soya fasulyesi, mısır, sorgum, şeker kamışı ve sıcak ve kurak koşullara daha uygun olan diğer bazı mahsullerden farklı bir fotosentez yöntemi kullanır - 10 yılına kadar dünyayı doldurması beklenen 2050 milyar insanı beslemeye yardımcı olmak için verimlerinin artması gereken mahsuller. birinde NPQ aktivitesini kodlayan genlerin diğerinde aynı rolü oynayıp oynayamayacağı. Yapmış olsalar bile, Glowacka ve Nebraska'dan James Schnable, NPQ kadar karmaşık bir sürece yardımcı olan başka genler olması gerektiğini düşündüler.
Onlar haklıydı. Keşifleri, ekibin kuzeydoğu Lincoln'deki Havelock Araştırma Çiftliği'ne 2020'den fazla genetik olarak farklı mısır hattı ektiği 2021 ve 700 yazları boyunca tarlalarda çalışarak başladı. Glowacka'nın planı: satırlar arasında NPQ performansındaki farklılıkları arayın, ardından bu farklılıklardan nihai olarak hangi genlerin sorumlu olduğunu bulmaya çalışın. Yine de Glowacka, NPQ'yu ölçmek için mevcut yöntemlerin pahalı ve zaman alıcı olduğunu biliyordu. Bunun da ötesinde, her bir çizginin ışığa maruz kalmasındaki günlük eşitsizlikleri düzleştirmek için mücadele ettiler ve potansiyel olarak herhangi bir bulgunun geçerliliğini bozdular.
Glowacka, yerleşmek yerine kendi yöntemini geliştirdi. Ekip, tarladaki her çizginin yapraklarından küçük örnekler çıkarmak için değiştirilmiş bir delgeç kullandı. Laboratuvara geri döndüklerinde, araştırmacılar doku örneklerini karanlığa uyum sağlamaları için yaklaşık bir gün verdi ve sonunda ışık parlamalarına maruz bırakmadan önce ve sonra floresanlarını (fotosentez ve NPQ için bir vekil) ölçtüler. Ekip, her 20 dakikada bir numune ölçmek yerine, aynı süre içinde 96 numuneyi işleyebildi.
Araştırmacılar, NPQ tepkilerinin hızının ve büyüklüğünün hatlar arasında büyük farklılıklar gösterdiğini buldular; bu, mısırdaki bu varyasyonu potansiyel olarak yönlendiren herhangi bir yeni genin aranmasını kolaylaştırmaya yardımcı olan bir gerçektir. Hatların karşılaştırılması genetik KodNPQ performansındaki farklılıklara karşı çapraz referanslı, sonunda altı umut verici gen adayı ortaya çıkardı. Bu adaylardan birçoğu ekibe zaten aşinaydı. Diğerleri değildi - bu varyasyonu diğer tüm adaylardan daha fazla sunan PSI3 adlı biri dahil.
Bu altı genin Arabidopsis'teki karşılıklarını belirledikten sonra, bir çiçekli bitki genellikle ders çalışmak için kullanılır bitki biyolojisi, ekip mutantları sipariş etmeye devam etti: Her biri altı genden birini içermeyen Arabidopsis tohumları. Altı mutantın hepsinde, aşırı gerilim koruyucu genellikle ışıklar altında yanıt vermek için yavaştı, ancak ışıklar söndüğünde gevşemek için daha yavaştı. NPQ zirveleri de tipik olarak daha düşüktü ve oluklar daha yüksekti, bu da bitkilerin hem dalgalanmalara karşı daha az tampon yaptığını hem de fotosentez için mevcut ışığın daha fazlasını israf ettiğini gösteriyor.
Bu genlerin tanımlanması, mısır hatları boyunca doğal NPQ varyasyon miktarı ile birleştiğinde, ıslahın yolunu açabilir. bitkiler Araştırmacılar, verimi artıran güneş ışığından yararlanmada çok daha iyi, dedi. Schnable, en iyi durumda, bu çabaların yarım düzine yıl kadar kısa bir sürede meyve verebileceğini söyledi.
Olurlarsa, sonuçlar önümüzdeki yıllarda küresel gıda kıtlığını önlemek için her ve tüm olasılıkları araştıran mahsul yetiştiricileri için bir nimet olabilir.
Glowacka, "NPQ'yu hızlandırırsak potansiyel olarak mahsullerden bu verimin %22'sini alabiliriz" dedi.
Araştırmacıların çalışmayı 2020'nin başlarında başlattığı göz önüne alındığında, yaklaşan bir küresel krizi önlemeye yardımcı olma girişimleri, çağdaş bir krizle uğraşmak anlamına geliyordu. Ekip üyelerinden ikisi, Seema Sahay ve Marcin Grzybowski, Amerika Birleşik Devletleri'ne daha yeni gelmişlerdi - ikisi de henüz ehliyet almamıştı. COVID-19'dan önce, ikisi otostopla Havelock Araştırma Çiftliği'ne giderdi.
Ancak virüsün yayılmasını yavaşlatmak için tasarlanmış üniversite protokolleri bu seçeneği geçici olarak askıya alıyor. Sahay ve Grzybowski yılmadan, düzenli olarak araştırma çiftliğine yaklaşık 30 kilometre bisiklet sürmeye başvurdular - bir Nebraska yazının sıcağı ve nemi ortasında XNUMX dakikadan fazla bir yürüyüş.
"Seema ve Marcin," dedi Glowacka, "bu deneyin gerçek kahramanları."
Çalışma dergide yayınlandı Yeni Fitolog.