Dióxido de carbono atmosférico (CO₂) as concentrações devem atingir 550 ppm até 2050. O CO elevado₂ níveis são previstos para aumentar a fixação de carbono fotossintético, reduzir a respiração da planta e levar a um maior crescimento das folhas e rendimentos das culturas. Como exatamente se espera que os rendimentos mudem dependem de vários fatores fisiológicos, arquitetura do dossel e ambientais.

dr Canção Qingfeng e Xin Guang Zhu com dois colegas da Academia Chinesa de Ciências, da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign e da Universidade de Lancaster integrou um modelo 3D de fotossíntese do dossel com dados experimentais anteriores de soja cultivada sob CO ambiente e elevado₂ por toda uma estação de crescimento. O modelo matemático permitiu que os pesquisadores dissecassem a contribuição de diferentes respostas de aclimatação (por exemplo, arquitetura do dossel, luz, fotossíntese).₂ e 17.2% do total de CO da planta₂ absorção foi devido à estrutura do dossel.

Os pesquisadores usaram medições anteriores do Instalação SoyFACE (enriquecimento de CO2 ao ar livre) na Universidade de Illinois em Urbana-Champaign, onde a soja foi cultivada em temperatura ambiente (370 ppm) e elevada (550 ppm) de CO₂ condições. Pesquisadores relataram um aumento de 15% na produção de soja a 550 ppm e o aumento no rendimento da colheita e na biomassa foi atribuído a um aumento no CO total₂ absorção de todo o dossel (ou seja, produtividade primária bruta; GPP).

Song e seus colegas usaram um modelo de fotossíntese de dossel iluminado pelo sol e sombreado, dividindo folhas em um dossel dinamicamente em grupos ensolarados e sombreados, e simulou o ambiente de luz de plantas de soja por 267 dias (toda a estação de crescimento) em intervalos de 3 dias. O modelo matemático bastante complexo desembaraçou as respostas ambientais (por exemplo, temperatura, luz, CO₂ concentração) de C₃ fotossíntese foliar. Para citar alguns parâmetros, o modelo incluído consistiu em calcular a condutância estomática, a temperatura da folha, a taxa máxima de carboxilação sob Ribulose-1,5-bifosfato (RuBP) e CO₂ saturação, índice de área foliar, teor de nitrogênio foliar em diferentes camadas do dossel, concentração de CO2 intercelular foliar e taxa potencial de transporte de elétrons fotossintéticos.

O tamanho da folha foi de 1.1 a 1.9 vezes maior, o comprimento e a largura da folha aumentaram de 10 a 90% para folhas diferentes e as distâncias entre nós aumentaram de 6% sob CO elevado₂ de plantas de soja. o CO₂ “efeito de fertilização” explicou 76.7% do GPP (ou seja, CO total₂ absorção de todo o dossel), seguido pela arquitetura do dossel (17.2%). A modelagem mostrou que houve um efeito sinérgico do CO₂ e luz no GPP que levou a diferentes GPP em dias nublados e ensolarados em diferentes estágios de desenvolvimento.

“[E]ste estudo apresenta uma nova estrutura integrativa que acoplou um modelo explícito de arquitetura de soja em 3-D com um algoritmo de rastreamento de raios e um modelo de fotossíntese de folhas para calcular a resposta fotossintética do dossel inteiro em diferentes ambientes”, escreveram Song e seus colegas.

“[A]supondo uma raiz fixa: proporção aérea e uma fração fixa de respiração escura, o modelo previu um aumento de 21.4% na biomassa acima do solo ao aumentar [CO₂] de 370 a 550 ppm.”

As maiores diferenças foram encontradas nos estágios iniciais de desenvolvimento e os dias ensolarados ou nublados impactam muito o CO total da planta₂ absorção.

“O LAI [índice de área foliar] aumentou cerca de 19% sob [CO₂] que causou um aumento na respiração total do dossel; no entanto, o teor de nitrogênio foliar com base na área foliar diminui em média 3.9% em culturas sob elevada [CO₂] como resultado da aclimatação da Rubisco”, acrescentaram Song e colegas.

Este novo modelo permite aos cientistas entender e prever melhor o crescimento da soja em uma mudança climática em algumas décadas. Embora as colheitas possam crescer mais rapidamente ou maiores sob um CO elevado₂ meio ambiente, colheita valores nutricionais podem diminuir.