A forma geral de crescimento de uma planta e a disposição de suas partes, ou características arquitetônicas, impactar a quantidade de energia solar que atinge as folhas dentro da copa. Isto, por sua vez, afeta a fotossíntese, que é essencial para o crescimento das plantas e a produção de biomassa.

A eficiência da fotossíntese depende fortemente do nitrogênio limitado disponível para investimento em proteínas responsáveis ​​pela captação de energia luminosa e pela conversão dessa energia em carboidratos (carboxilação). A alocação ideal de nitrogênio entre essas duas funções fotossintéticas é vital para alcançar uma fotossíntese eficiente e é chamada de seu estratégia de aclimatação fotossintética.

Durante seu trabalho de doutorado na Leibniz Universität Hannover, Dr. Yi-Chen Pao liderou um estudo sobre a coordenação entre estratégia de aclimatação fotossintética e características arquitetônicas para maximizar a fotossíntese do dossel. Este trabalho foi recentemente publicado na revista in silico Plants.

Para o primeiro experimento, os autores empregaram um modelo mecanicista de pepino que foi desenvolvido anteriormente por Pao e colegas para investigar a coordenação ideal entre estratégia de aclimatação fotossintética e características arquitetônicas. Eles conduziram simulações de plantas com ângulos variados das folhas e observaram os padrões de alocação fotossintética de nitrogênio. Os valores dos parâmetros utilizados nos modelos foram obtidos de estudos anteriores.

Eles descobriram que o investimento em nitrogênio na colheita de luz era maior do que na conversão de carboidratos sob condições que levavam à baixa penetração da luz na copa. Isto incluiu horários no início do dia em que a exposição cumulativa à luz solar era baixa e quando as folhas estavam mais horizontais, resultando em auto-sombreamento.

Resultados do primeiro experimento. Esquerda: Plantas com orientação foliar mais horizontal experimentaram maior auto-sombreamento, resultando em menor penetração de luz nas camadas mais profundas da copa e mais nitrogênio alocado para a colheita de luz. À direita: A menor exposição cumulativa à luz resultou em mais nitrogênio alocado para a coleta de luz do que para a carboxilação.

Numa segunda experiência, os autores testaram se a coordenação ideal entre a estratégia de aclimatação fotossintética e as características arquitetónicas poderia ser observada em variedades de pepino do mundo real. Eles escolheram dois cultivares contrastantes:

As duas cultivares de pepino utilizadas no experimento 2.
  • Aramon tinha folhas maiores e mais verticais e
  • SC-50 tinha folhas menores e mais horizontais.

As plantas foram cultivadas em condições óptimas de estufa. Durante três semanas, os pesquisadores realizaram medições de várias características arquitetônicas das plantas, como ângulo das folhas, índice de área foliar e extensão da penetração da luz através da copa. Além disso, eles mediram a fotossíntese e o nitrogênio foliar, que foram usados ​​para calcular os reservatórios de nitrogênio fotossintético.

A experiência do mundo real confirmou a sua in silico resultados: o investimento de nitrogênio foi priorizado para a carboxilação sob luz intensa e para a colheita leve sob luz fraca para ambas as cultivares. “Não é surpreendente que a simulação tenha previsto com precisão as respostas do mundo real. É incrível como as plantas conseguem se adaptar ao seu ambiente, e somos capazes de capturar isso usando modelos simples”, disse Pao.

Para determinar se as duas cultivares tinham uma coordenação ideal entre características arquitetônicas e estratégias de aclimatação fotossintética quando cultivadas em um dossel, eles executaram novamente as simulações do modelo, desta vez incluindo parâmetros arquitetônicos derivados do experimento de cultivares do mundo real. Os parâmetros específicos da cultivar incluíram a arquitetura (ângulo, tamanho e densidade da folha) e proporção de nitrogênio foliar particionado para a fotossíntese. A partição teórica ideal de nitrogênio entre a captura de luz e a conversão de carboidratos foi determinada como a combinação que resultou na maior taxa diária de fotossíntese.

Resultados do experimento três. Otimalidade simulada da partição fotossintética de nitrogênio em um espectro de disponibilidade de luz. O triângulo verde-azulado é SC-50 e o diamante salmão é Aramon.

A adesão à otimalidade variou ao longo do espectro de disponibilidade de luz para ambas as cultivares, mas o SC-50 foi o mais próximo do ideal. “O SC-50 possui folhas horizontais que captam mais luz e uma partição de nitrogênio mais responsiva, o que permite atender às necessidades das folhas expostas a diferentes níveis de luz. Esta é uma estratégia inteligente para coordenar a função com a arquitetura sob forte concorrência de luz”, explicou Pao.

A utilização de modelos computacionais desempenhou um papel fundamental ao oferecer um ponto de vista abrangente sobre a variação genotípica nas estratégias de aclimatação fotossintética, arquiteturas de dossel e sua coordenação ideal neste estudo.

LEIA O ARTIGO:

Yi-Chen Pao, Hartmut Stützel, Tsu-Wei Chen, Coordenação ideal entre a estratégia de aclimatação fotossintética e a arquitetura do dossel em duas cultivares de pepino contrastantes, in silico Plants, Volume 5, Edição 2, 2023, diad014, https://doi.org/10.1093/insilicoplants/diad014

Este artigo faz parte da edição especial sobre Modelagem multiescala da fotossíntese