CO₂ affronta barriere mentre si muove attraverso la foglia, comprese le proprie pareti cellulari. I ricercatori del Long Lab hanno scoperto che aumentando la permeabilità e riducendo leggermente lo spessore delle pareti cellulari, si potrebbe aumentare la CO₂ diffusione e assorbimento in una coltura modello.

"Questo è uno dei pochi test concettuali riusciti che dimostrano che possiamo progettare un aumento della conduttanza del mesofillo e far sì che si traduca in un aumento della fotosintesi sul campo", ha affermato Coralie Salesse-Smith, ricercatrice post-dottorato presso il Long Lab e autrice principale di uno studio articolo sulla ricerca, pubblicato sul Plant Biotechnology Journal .

"La teoria ci mostra che l'aumento della conduttanza del mesofillo per aumentare la fotosintesi può essere ottenuto senza il costo di più acqua. Ciò è importante considerando l'urgente necessità di una maggiore produzione agricola e di un uso sostenibile dell'acqua."

La fotosintesi è il processo naturale utilizzato da tutte le piante per convertire la luce solare, l'acqua e l'anidride carbonica in energia e rendimento. CO₂ Il viaggio di per diventare zucchero utile (energia) per la pianta inizia quando passa attraverso minuscoli fori nelle foglie noti come stomi.

Affinché la CO₂ per raggiungere il cloroplasto (dove viene trasformato in zucchero), deve attraversare una serie di barriere, inclusa la parete cellulare. Il team ha ipotizzato che se fossero riusciti a migliorare la CO₂ La diffusione attraverso la parete cellulare rendendo queste barriere più facili da attraversare, migliorerebbe la conduttanza del mesofillo e di conseguenza l'efficienza fotosintetica. Aumentare la conduttanza del mesofillo significa più CO₂ sarà disponibile affinché la pianta si trasformi in cibo.

Un precedente articolo dei colleghi RIPE (Rializing Photosynthetic Efficiency) di Salesse-Smith ha dimostrato che le pareti cellulari più sottili sono associate a una maggiore conduttanza del mesofillo. Ciò suggerisce che ridurre intenzionalmente lo spessore delle pareti potrebbe modificare la facilità con cui la CO₂ può essere modificata si muove attraverso le foglie, aumentando potenzialmente la fotosintesi. Ispirato da questo articolo, Salesse-Smith ha voluto testare questa idea in un impianto modello.

Dopo una revisione della letteratura, Salesse-Smith ha ristretto la sua attenzione alla sovraespressione o all'aumento della quantità di CGR3, un gene che ha dimostrato di alterare i componenti della parete cellulare. Questo gene è stato inserito in una specie di tabacco e coltivato insieme a piante prive del gene in una prova sul campo durante la stagione di crescita 2022. Il tabacco è stato utilizzato come pianta modello perché è più facile lavorarci in laboratorio e sul campo e anche perché ha permesso ai ricercatori di testare la genetica a un ritmo più rapido rispetto a una coltura alimentare.

"Attaccare la parete cellulare era molto importante perché è uno dei principali componenti che limitano la conduttanza del mesofillo. Diminuirne lo spessore e renderlo più permeabile renderebbe più facile il passaggio della CO₂ per raggiungere il sito di fissazione del carbonio", ha affermato Salesse-Smith, ricercatore post-dottorato RIPE presso il Long Lab dell'Università dell'Illinois Urbana-Champaign.

"Sovraesprimendo il gene bersaglio, siamo stati in grado di diminuire lo spessore della parete cellulare e aumentarne la permeabilità che, come avevamo ipotizzato, ha finito per aumentare la conduttanza del mesofillo e, di conseguenza, la fotosintesi."

RIPE, guidata dall'Illinois, sta ingegnerizzando le colture per renderle più produttive migliorando la fotosintesi, il processo naturale utilizzato da tutte le piante per convertire la luce solare in energia.

Le piante che sovraesprimono il gene CGR3 hanno mostrato una diminuzione dello spessore della parete cellulare del 7-13% e un aumento della porosità del 75% rispetto alle piante senza questo gene aggiunto. Il team ha raggiunto l'obiettivo di apportare modifiche alla parete cellulare, ma la vera misura del successo è stata quando i dati hanno mostrato anche un aumento dell'8% della fotosintesi sul campo.

"Speravamo che questa modifica consentisse di produrre più CO₂ entrare nel cloroplasto ed essere utilizzato per creare energia sotto forma di zucchero, e questo è quello che è successo, ma solo perché ha funzionato in una coltura modello non significa che si ottengano gli stessi risultati con una coltura alimentare", ha affermato Salesse- Smith.

"È importante testare cosa succede nella soia per vedere se si otterranno gli stessi miglioramenti nella conduttanza del mesofillo e nella fotosintesi, e se ciò porterà a miglioramenti nella resa."

Forte di questi risultati, il team sta lavorando per testare questa modifica nella soia, per vedere se è possibile ottenere un aumento della fotosintesi, dell’efficienza nell’uso dell’acqua e della resa in una coltura alimentare. Le prove sul campo della soia potrebbero aver luogo già nella stagione di crescita del 2025.