Das mathematische Studium der Photosynthese ebnet den Weg zur Entwicklung neuer Superkulturen

Das mathematische Studium der Photosynthese ebnet den Weg zur Entwicklung neuer Superkulturen

Video: Mathematik, Physik & Chemie in den Forstwissenschaften: Photosynthese (Kann 2020).

Anonim

von Imperial College London

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Wie sich einige Pflanzenarten zu einer supereffizienten Photosynthese entwickelten, war ein Rätsel. Jetzt haben Wissenschaftler herausgefunden, welche Schritte zu dieser Änderung geführt haben.

Rund drei Prozent aller Pflanzen verwenden eine fortschrittliche Form der Photosynthese, die es ihnen ermöglicht, mehr Kohlendioxid einzufangen, weniger Wasser zu verbrauchen und schneller zu wachsen. Insgesamt sind sie damit über 50% effizienter als Anlagen, die die weniger effiziente Form verwenden.

Eine neue Studie hat die Entwicklungspfade aller Pflanzen, die fortgeschrittene Photosynthese verwenden, einschließlich Mais, Zuckerrohr und Hirse, zurückverfolgt, um herauszufinden, wie sie die gleiche Fähigkeit unabhängig voneinander entwickelt haben, obwohl sie nicht direkt miteinander verwandt sind.

Mithilfe einer mathematischen Analyse entdeckten die Autoren eine Reihe winziger Veränderungen in der Pflanzenphysiologie, die es ihnen ermöglichen, in Kombination schneller zu wachsen. mit einem Drittel so viel Wasser wie andere Pflanzen; und etwa dreizehnmal mehr Kohlendioxid aus der Atmosphäre abfangen.

Zusammen bilden diese einzelnen evolutionären Fortschritte ein "Rezept", das zur Verbesserung der wichtigsten landwirtschaftlichen Kulturpflanzen verwendet werden könnte, die nur die weniger effiziente Form verwenden. Die Autoren der Studie sagen, dass dieses Wissen genutzt werden könnte, um Superkulturen wie schnell wachsenden, dürreresistenten Reis zu züchten.

Die Forschung wurde von dem Mathematiker Dr. Iain Johnston vom Imperial College London und dem Pflanzenbiologen Dr. Ben Williams von der Universität Cambridge geleitet und in der Zeitschrift eLife veröffentlicht . Sie kamen zusammen, um zu testen, ob ein neues mathematisches Evolutionsmodell verwendet werden kann, um die Evolutionswege aufzudecken, die zur fortgeschrittenen Photosynthese führten.

"Mein Hauptinteresse ist die Verwendung mathematischer Hilfsmittel, um konkrete Fortschritte in einem Problem von wirklichem biologischen und sozialen Wert zu erzielen", sagte Dr. Johnston. "Ermutigend für die Bemühungen, hocheffiziente Pflanzen zu entwickeln, fanden wir heraus, dass mehrere unterschiedliche Wege zu einer effizienteren Photosynthese führen. Es gibt also viele verschiedene Rezepte, die Biologen entwickeln könnten, um dies zu erreichen."

Dr. Julian Hibberd von der Universität Cambridge, der letzte Autor des Papiers, fügte hinzu: "Dies ist nicht nur ein interessantes mathematisches Ergebnis, es sollte den Biowissenschaftlern helfen, Pflanzen mit signifikant verbesserten Erträgen zu entwickeln, um die Welt zu ernähren. Wie die sprichwörtlichen Straßen, die alle führen nach Rom, Ben und Iain haben gezeigt, dass es viele Wege gibt, die Pflanzen im Evolutionsprozess eingeschlagen haben. "

Der nächste Schritt für die Biologen besteht darin, die natürliche Evolution der weiter fortgeschrittenen Photosynthese durch Spiegelung der genetischen und physiologischen Veränderungen in einfachen Laborpflanzen und schließlich in Reis nachzubilden.