Dióxido de carbono atmosférico (CO2) se espera que las concentraciones alcancen las 550 ppm para 2050. El CO elevado2 Se prevé que los niveles aumenten la fijación de carbono fotosintético, reduzcan la respiración de las plantas y conduzcan a un mayor crecimiento de las hojas y rendimiento de los cultivos. La forma exacta en que se espera que cambien los rendimientos depende de numerosos factores fisiológicos, de la arquitectura del dosel y ambientales.
Doctores Canción Qingfeng y Xin-Guang Zhu con dos colegas de la Academia China de Ciencias, la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign y la Universidad de Lancaster integró un modelo de fotosíntesis del dosel en 3D con datos experimentales previos de soja cultivada en condiciones ambientales y elevadas de CO2 durante toda una temporada de crecimiento. El modelo matemático permitió a los investigadores diseccionar la contribución de diferentes respuestas de aclimatación (por ejemplo, arquitectura del dosel, luz, fotosíntesis), encontró que las hojas de soya crecieron 1.1–1.9 veces más grandes bajo niveles elevados de CO2 y 17.2% del total de CO de la planta2 la absorción se debió a la estructura del dosel.
Los investigadores utilizaron mediciones previas del Instalación SoyFACE (enriquecimiento de CO2 al aire libre) en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, donde se cultivó soja a temperatura ambiente (370 ppm) y elevada (550 ppm) de CO2 condiciones. Los investigadores informaron un aumento del 15% en los rendimientos de soja a 550 ppm y se sugirió que el aumento en el rendimiento del cultivo y la biomasa se atribuya a un aumento en el CO total2 absorción de todo el dosel (es decir, productividad primaria bruta; GPP).
Song y sus colegas utilizaron un modelo de fotosíntesis del dosel iluminado por el sol y sombreado, dividiendo las hojas en un dosel dinámicamente en grupos iluminados por el sol y sombreados, y simuló el entorno de luz de las plantas de soja durante 267 días (toda la temporada de crecimiento) en intervalos de 3 días. El modelo matemático bastante complejo desenredó las respuestas ambientales (por ejemplo, temperatura, luz, CO2 concentración) de C3 fotosíntesis de la hoja. Por mencionar algunos parámetros, el modelo incluido consistió en calcular la conductancia estomática, la temperatura de la hoja, la tasa máxima de carboxilación bajo ribulosa-1,5-bisfosfato (RuBP) y CO2 saturación, índice de área foliar, contenido de nitrógeno foliar en diferentes capas del dosel, concentración de CO2 intercelular foliar y tasa potencial de transporte de electrones fotosintéticos.
El tamaño de la hoja fue de 1.1 a 1.9 veces mayor, la longitud y el ancho de las hojas aumentaron entre un 10 y un 90 % para diferentes hojas y las distancias entrenudos aumentaron un 6 % en condiciones de CO elevado.2 de plantas de soja. El co2 El “efecto de fertilización” explicó el 76.7 % del GPP (es decir, el CO total2 absorción de todo el dosel), seguida de la arquitectura del dosel (17.2 %). El modelado mostró que había un efecto sinérgico de CO2 y luz en GPP que condujo a diferentes GPP en días nublados y soleados en diferentes etapas de desarrollo.
“[E]ste estudio presenta un nuevo marco integrador que combinó un modelo de arquitectura de soya tridimensional explícito con un algoritmo de trazado de rayos y un modelo de fotosíntesis de hoja para calcular la respuesta fotosintética de todo el dosel en diferentes entornos”, escribieron Song y sus colegas.
“[A]suponiendo una relación raíz:brote fija y una fracción fija de respiración oscura, el modelo predijo un aumento del 21.4 % en la biomasa aérea al aumentar [CO2] de 370 a 550 ppm.”
La mayoría de las diferencias se encontraron en las primeras etapas de desarrollo y los días soleados o nublados tienen un gran impacto en el CO total de la planta.2 consumo.
“LAI [índice de área foliar] aumentó en aproximadamente un 19 % bajo niveles elevados de [CO2] que provocó un aumento en la respiración total del dosel; sin embargo, el contenido de nitrógeno foliar sobre la base del área foliar disminuye en un promedio de 3.9 % en cultivos bajo niveles elevados de [CO2] como resultado de la aclimatación a Rubisco”, agregaron Song y sus colegas.
Este nuevo modelo permite a los científicos comprender y predecir mejor el crecimiento de la soja en un cambio climático en unas pocas décadas. Mientras que los cultivos pueden crecer más rápido o más grandes bajo un CO elevado2 medio ambiente, cultivo los valores nutricionales pueden disminuir.
