Multi-scale modelling of gas exchange in photosynthetic tissue

Het verbeteren van de efficiëntie van de fotosynthese kan bijdragen tot een betere voedselzekerheid in het kader van een stijging van de wereldbevolking zonder weerga en klimaatsverandering. De fotosyntheseroute in C4-planten zoals maïs (Zea mays L.), Miscanthus (Miscanthus x giganteus) en suikerriet (Saccharum officinarum L.), resulteert in een hogere productiviteit en efficiëntie van fotosynthetisch stikstof- en waterverbruik vergeleken met deze in C3-planten. Het mechanisme van de fotosynthese in C4-planten hangt af van de archetypische Kranz-anatomie, die de interne omgeving van het blad bepaald en zo de diffusie van gas en de lichtdistributie beïnvloedt. Een lage permeabiliteit van de vaatbundelschedecellen voor CO2 (gbs) en een hoge geleidbaarheid van CO2 in de mesofylcellen (gm) zijn van cruciaal belang voor de efficiëntie van de C4-fotosynthese. De relatie tussen bladanatomische eigenschappen en CO2-geleidbaarheid, zoals gbs en gm, in C4-planten was tot nu toe minder het onderwerp van onderzoek, in tegenstelling tot de situatie bij C3-planten. Bovendien voegen deze geleidbaarheden verschillende anatomische kenmerken samen, waardoor het mechanistisch begrip van de rol van elk afzonderlijk microstructuurelement met betrekking tot de efficiëntie van fotosynthese beperkt blijft. Tenslotte zijn er maar weinig studies over de mogelijke beperkingen door de C4-bladanatomie van lichtdoorlating en efficiëntie van fotosynthese.

Om het effect van bladanatomie, zoals beïnvloed door de hoeveelheid stikstof per bladoppervlakte en bladleeftijd op de efficiëntie van C4-fotosynthese te onderzoeken, werden maïs (Zea mays L.) planten bij drie contrasterende stikstofniveaus geteeld. Gecombineerde gasuitwisselings- en chlorofylfluorescentiemetingen werden uitgevoerd op volledig volgroeide bladeren tijdens twee bladleeftijden: jong en oud. De data van de metingen werden gecombineerd met een biochemisch model van de fotosynthese in C4 planten om gbs te schatten. De micro –en ultrastructuur van het blad werden gekwantificeerd op basis van afbeeldingen verkregen met X-stralenmicrotomografie en microscopie. Een hogere stikstofgift resulteerde in een grotere hoeveelheid stikstof per bladoppervlakte en een hogere fotosynthesesnelheid, terwijl de snelheid van bladveroudering afnam. Er was een sterke positieve correlatie tussen gbs en de stikstofinhoud van het blad (LNC), terwijl oude bladeren een lagere gbs hadden dan jonge bladeren. gm nam ook toe met een toename van de LNC, maar nam af tijdens bladveroudering. De toename van gbs met LNC werd weinig verklaard door verandering in bladanatomie. Daarentegen waren de gecombineerde effecten van LNC en bladleeftijd op de anatomische eigenschappen verantwoordelijk voor verschillen in gbs tussen jonge en oude bladeren. Het wordt aanbevolen de veranderingen in de ultrastructuur van het blad op het niveau van de membranen en plasmodesmata te onderzoeken om de relatie tussen anatomie en CO2 geleidbaarheid verder te achterhalen. Aangezien gbs, aldus geschat, een aantal microstructurele eigenschappen samenvoegt, kon de bijdrage van elke individuele microstructurele bladeigenschap niet worden vastgesteld. Daarom wordt een microschaal modelleeraanpak aanbevolen die rekening houdt met elke microstructurele en ultrastructurele bladeigenschap.

Een tweedimensionaal microschaal model van gasuitwisseling en fotosynthese in C4 bladeren werd ontwikkeld, dat rekening houdt met de fysieke obstakels van de bladanatomie en ultrastructuur voor gastransport. De bladanatomische geometrie werd ontwikkeld op basis van lichtmicroscopiebeelden van hetzelfde blad dat was gebruikt voor de metingen van de gasuitwisseling. De ultrastructurele kenmerken, zoals celwanden, biologische membranen, plasmodesmata en suberinelagen rond de bundelschede- celwanden werden gemodelleerd als weerstanden. Reactie-diffusievergelijkingen voor CO2 en bicarbonaat in de vloeibare fase-media werden ontwikkeld en gediscretiseerd over de tweedimensionale bladgeometrie. Het model voorspelde de reacties van fotosynthese op instraling en intercellulaire CO2 overeenkomstig die verkregen via de meting. De effecten van de componenten van de CO2-diffusieroute op de fotosynthese werden kwantitatief geëvalueerd. De CO2-permeabiliteit van de mesofylbundelschede en luchtruimte-mesofyl contactoppervlakken beïnvloedden in sterke mate de snelheid van fotosynthese en gbs. Koolzuuranhydrase beïnvloedde de snelheid van de fotosynthese, in het bijzonder bij lage intercellulaire CO2-niveaus. Daarnaast werd de suberine-laag op het blootgestelde oppervlak van de vaatbundelschedecellen, voordelig bevonden voor het reduceren van retro-diffusie van CO2.

Wanneer één of tweedimensionale gastransport modellen worden toegepast om de gasdiffusie in bladeren te analyseren, onderschatten zij duidelijk de driedimensionale natuur van gastransport. Daarom werd een 3-D-microschaal model gebaseerd op de actuele bladmicrostructuur ontwikkeld. De lichtdoordringing in het bladweefsel werd gemodelleerd gebruikmakend van een aangepaste Monte Carlo fotontransportmethode. Diffusie van CO2 en O2 werd gekoppeld aan de C4 fotosynthesekinetiek en een model van lichtpenetratie in het bladweefsel. De temperatuurafhankelijkheid van biochemische en biofysische parameters werd in beschouwing genomen. De typische Kranz-anatomie van het bladweefsel veroorzaakte grote gradiënten in lichtintensiteit in het blad. Maximum fotosynthese bij lage lekkages werd verkregen wanneer de chlorofylgehalten in het mesofyl en in de vaatbundelschedecellencellen gelijk waren. Bij verhoogde CO2 kon de fotosynthese in de vaatbundelschedecellen van jonge bladeren potentieel worden ondersteund door directe diffusie. Simulaties suggereren ook dat het effect van temperatuur op biochemische processen sterker is dan het effect op biofysische processen in het bepalen van de temperatuurrespons van de fotosynthese en van vaatbundellekkage. Daarnaast toonde een systematische analyse aan dat de cytosolische CO2 afgifte ten gevolge van toenemende PSII-abundantie in de vaatbundelschedecellen of decarboxylatie van C4-zuren de efficiëntie van de fotosynthese reduceert. De ontwikkelde modellen kunnen dus dienen als een middel om de gasuitwisseling en C4 fotosynthese verder te onderzoeken.