Arroz (oryza sativa L.) é a cultura alimentar humana mais importante em todo o mundo, mas o potencial de rendimento do arroz precisa ser aumentado em pelo menos 50% até 2050 para sustentar a crescente população humana. Isso só pode ser alcançado por melhorias nas taxas de produção de biomassa. A produtividade do arroz poderia ser radicalmente melhorada pela introdução de propriedades fotossintéticas C4. A fotossíntese C4 é caracterizada por um mecanismo de concentração de CO2 envolvendo a coordenação do metabolismo em dois tipos de células, o mesofilo e a bainha do feixe. Isso resulta na eliminação ou redução substancial da fotorrespiração e, conseqüentemente, aumento da capacidade e rendimento quântico da fotossíntese em altas temperaturas.
Uma das principais propriedades do C4 é uma alta densidade de nervuras foliares, considerada um pré-requisito para a evolução do conjunto completo de características do C4 nas plantas. Alta densidade de veias foliares é necessária para garantir a proporção ideal de mesofilo e células da bainha do feixe com contato próximo, permitindo a troca rápida de fotossintatos. Isso é obtido por meio da anatomia 'Kranz', que normalmente mostra uma camada simples ou dupla de células do mesofilo envolvendo as células da bainha do feixe de maneira concêntrica. As células da bainha do feixe, por sua vez, envolvem o tecido vascular. Esse arranjo permite que as células da bainha do feixe e as células do mesofilo ocupem volumes semelhantes dentro da folha C4, enquanto o volume total das células do mesofilo é maior na folha C3.
Então, como você permite que o arroz realize a fotossíntese C4? Utilizando a plasticidade das plantas de arroz para enfiar mais veias nas folhas:
Aumentando a densidade da nervura da folha por mutagênese: estabelecendo as bases para o arroz C4. (2014) PLoS ONE 9(4): e94947. doi:10.1371/journal.pone.0094947
Uma alta densidade de veias foliares é uma característica essencial da fotossíntese C4 e uma característica fundamental para a evolução C4, garantindo a proporção ideal e a proximidade do mesofilo e células da bainha do feixe para permitir a troca rápida de fotossintatos. Duas populações mutantes de arroz, uma biblioteca mutante de deleção com um cv. Fundo IR64 (12,470 linhas) e uma biblioteca mutante de inserção de T-DNA com um cv. Tainung 67 background (10,830 linhas), foram rastreados para aumentos na densidade da veia. Um método de alto rendimento com microscópios portáteis foi desenvolvido e sua precisão foi apoiada por uma análise de microscopia mais rigorosa. Oito linhagens com densidades de nervuras foliares significativamente aumentadas foram identificadas para serem usadas como estoque genético para o Consórcio de Arroz C4 global. A população candidata mostrou incluir mutações compartilhadas e independentes e, portanto, mais de um gene controlava o fenótipo de alta densidade venosa. Verificou-se que a característica de alta densidade de nervuras estava ligada a uma característica de largura de folha estreita, mas a ligação estava incompleta. A característica de largura de folha estreita mais geneticamente robusta foi proposta para ser usada como um marcador fenotípico confiável para encontrar variantes de alta densidade de veias em arroz em telas futuras.
