Asimilace uhlíku a dusíku ve vztahu k výnosu: mechanismy jsou klíčem k pochopení produkčních systémů

Abstrakt

Znalost základních biochemických a fyziologických poznatků o rostlinách vedla k lepšímu pochopení produkčních systémů ve vztahu k dodávkám dusíku. Exprese genů vede k syntéze proteinů a tvorbě metabolických systémů; následný metabolismus určuje schopnost růstu, vývoje a produkce výnosů. To představuje genetický potenciál. Tyto procesy určují požadavky na zásobování zdroji. Interakce mezi asimilací oxidu uhličitého (CO2) a dusičnanů (

) a jejich dynamika mají klíčový význam pro produkci plodin. Zejména dostatečný přísun

, jeho asimilace na aminokyseliny (pro které jsou nutné fotosyntetizované sloučeniny uhlíku) a jejich dostupnost pro syntézu bílkovin jsou pro metabolismus nezbytné. Dostatečný přísun

stimuluje růst listů a fotosyntézu, první prostřednictvím růstu a dělení buněk, druhý prostřednictvím většího obsahu složek světelných reakcí a složek asimilace CO2 a souvisejících procesů. Pokud nabídka zdrojů převyšuje poptávku danou genetickým potenciálem, pak je produkce maximální, ale pokud je menší, pak není potenciálu dosaženo; sladění zdrojů s potenciálem je cílem zemědělství. Souvislost mezi metabolismem a výnosem je však nedostatečně kvantifikována. Biochemické charakteristiky a simulační modely je třeba lépe využívat a kombinovat, aby se zlepšila aplikace hnojiva N, účinnost využití N a výnosy. Zvýšení příjmu N při nedostatečném přísunu N zvýšením objemu a hustoty zakořenění je proveditelné, zvýšení afinity už méně. To by vedlo ke zvýšení biomasy a poměru N/C. Při dostatečném množství N a plném genetickém potenciálu by větší asimilace C na jednotku N zvýšila biomasu, ale energie by byla při plném zápoji limitující. Zvýšení asimilace C na jednotku N by zvýšilo biomasu, ale snížilo N/C při velkém i malém přísunu N. Zvýšení produkce všech biochemických složek by zvýšilo biomasu a poptávku po N a zachovalo poměr N/C. Změna asimilace C nebo N vyžaduje modifikace mnoha procesů, aby došlo ke zlepšení celého systému; genetické inženýrství/molekulárně biologické změny jednotlivých kroků centrálního metabolismu toho pravděpodobně nedosáhnou, protože cíle jsou nejasné a také kvůli složitým interakcím mezi procesy a prostředím. Dosažení dlouhodobých cílů zlepšení využití dusíku a výnosů plodin s menšími vstupy a menším znečištěním pomocí agronomie, šlechtění nebo genového inženýrství vyžaduje lepší pochopení celého systému, od genů přes metabolismus až po výnosy.

Úvod: koncepční rámec

Během autokatalytického cyklu růstu a rozmnožování vyšších rostlin se embryo v semeni za vhodných podmínek vyvíjí a vytváří rostlinu s listy a kořeny. Listy obsahují složitý biochemický fotosyntetický aparát schopný zachycovat světlo a využívat energii k redukční asimilaci oxidu uhličitého (CO2) a dusičnanových iontů (

) s tvorbou sacharidů, resp. aminokyselin (Foyer et al., 2001; Lawlor, 1994). Kořeny zachycují vodu a minerální živiny, které jsou potřebné pro metabolismus; zde se zaměřujeme na přísun dusíku. Pro zjednodušení je diskutován pouze přísun a metabolismus dusičnanů: role amoniaku jako NH3 nebo jako

(Macduff et al., 1987; Ter Steege et al., 2001), fixace N2 z asociací rostlina-rhizobium a příjem organického N nejsou uvažovány. Vzniklé C- a N-asimiláty jsou exportovány do růstových oblastí rostliny, kde se zabudovávají do nových vegetativních buněk a tkání a dávají vzniknout reprodukčním orgánům a semenům, čímž se dokončuje růstový cyklus (Ourry et al., 2001).

Rostlina funguje jako kompletní systém s rovnováhou mezi výhonem a kořenem při získávání zdrojů a výměně asimilátů v dlouhodobém horizontu, ale kvantitativní pochopení těchto procesů a jejich regulace je omezené. Obrázek 1 shrnuje tyto interakce. Procesy a toky N- a C-asimilátů jsou závislé na přísunu zdrojů z prostředí a na podmínkách v něm. Diskuse o úloze základního metabolismu je často oddělena od diskuse o určování výnosu plodin, a to z důvodu zaměření odborníků z praxe a potřeby zabývat se konkrétními body systému pro výzkumné účely. Protože je však výnos důsledkem biochemie, jsou tyto dvě oblasti úzce propojeny (Lawlor et al., 2001). Z hlediska zemědělské výroby je výnos nejdůležitějším aspektem, neboť světová roční produkce cca 1,6 miliardy tun zrna pšenice, kukuřice a rýže zajišťuje většinu energie a živin pro lidskou spotřebu. Hlavním cílem je produkce velkých výnosů vysoce kvalitních produktů s minimálním vstupem zdrojů, zejména N-hnojiv.

Tento přehled se pokouší shrnout různé aspekty metabolismu a fyziologie rostlin a úlohu N v procesech vedoucích k produkci výnosu. Zdůrazňuje význam mechanistického pochopení všech částí systému a zejména integraci poznatků, má-li být dosaženo celkových cílů vyšší produkce plodin s minimálním použitím N bez znečištění životního prostředí. Tvrdí se, že přílišné zaměření na jednotlivé části systému vede k nedostatečnému posouzení potenciálně limitujících procesů a zanedbání těch důležitých.

N-hnojiva a zlepšení zemědělství

Potřebu lepšího pochopení základních mechanismů souvisejících s N a produkcí plodin a zlepšení využití N ukazuje úvaha o současné situaci světového zemědělství a jeho závislosti na průmyslově vyráběných N-hnojivech (Bacon, 1995). Zemědělství dnes využívá velkou část nejúrodnější půdy na Zemi, spotřebovává velkou část dostupné vody a vyžaduje značné vstupy hnojiv. Některé z nich (např. fosfáty) se těží, ale anorganický N pochází z průmyslové přeměny N2 na NH3 za účelem výroby močoviny, dusičnanů atd. Průmyslová fixace N se blíží přirozené fixaci N2 v biosféře. Je zapotřebí větší produkce potravin bez rozšiřování zemědělské půdy (omezené jinými faktory, např. zásobami vody) a s menším množstvím hnojiv, k jejichž syntéze se spotřebovává velké množství energie z fosilních paliv. Snížení používání menšího množství N-hnojiv sníží náklady a znečištění, které je důsledkem metod syntézy a neúčinné aplikace a příjmu plodinami; dosažení těchto cílů je naléhavě nutné (Ter Steege et al., 2001). Snížení používání hnojiv je však v rozporu s potřebou vyššího výnosu plodin. Výnosy hlavních základních plodin, například pšenice, se v posledním desetiletí nezvýšily (Evans, 1998). S rostoucí poptávkou po potravinách ze strany rychle rostoucí lidské populace se tak musí zvyšovat možnost nedostatku potravin na celém světě. K překonání potenciálně nebezpečných sociálních problémů nedostatku potravin a degradace a znečištění životního prostředí je třeba zvýšit zemědělské výnosy na jednotku plochy a současně snížit závislost na aplikovaných hnojivech (Evans, 1998). Velká část světového zemědělství používá N-hnojiva velmi neefektivně (dokonce i ve vyspělých ekonomikách), často proto, že ostatní podmínky prostředí jsou limitující, takže zlepšení prostředí pro pěstování plodin a technologií pro aplikaci N, stejně jako uplatňování současných osvědčených postupů, by mohlo snížit ztráty a zvýšit produkci (Bacon, 1995). Současné znalosti o tom, jak rostliny metabolizují N a jak se N chová v prostředí, jsou k tomu pravděpodobně dostačující, i když je třeba zlepšit pochopení systému jako celku (viz pozdější diskuse o modelování). Bylo by žádoucí zlepšit genetický potenciál výnosu, který se nepodařilo zlepšit díky desetiletím selekčního šlechtění, aby se dosáhlo lepší celkové produkce s menším množstvím N a dalších zdrojů (viz diskuse týkající se zvýšení produkce rýže v Sheehy et al., 2000). I kdyby to však bylo možné, vyžadovalo by to zintenzivnění selekčního šlechtění. V případě genetické modifikace je pravděpodobně nutný mnohem větší vklad odborných znalostí a finanční podpory a další technologický vývoj, a to navzdory některým důkazům o úspěchu (Ku et al., 2000), neboť současná technologie je poměrně nevyzkoušená (Matsuoka et al., 2000) a doba potřebná pro účinnou aplikaci je pravděpodobně dlouhá. Pravděpodobnost úspěchu je obtížné posoudit; to platí i pro selekční šlechtění vzhledem k mnohem pomalejšímu nebo neexistujícímu tempu zvyšování výnosů a výnosového potenciálu. Genetické charakteristiky lze cíleně měnit za účelem zvýšení produkce a její efektivity, ale cíle modifikace musí být jasně určeny. V tomto směru a ve šlechtitelských programech pomůže použití molekulárních technik, přičemž hlavní geny a lokusy kvantitativních znaků řídící agronomické vlastnosti budou identifikovány a umístěny v komplexních genetických mapách (Snape, 1996). Úloha N v plodinách je však natolik zásadní, že tyto přístupy musí být spojeny s podrobným pochopením biochemie a fyziologie rostlin.

Fotosyntetická asimilace uhlíku a dusíku a zásobování N

Úloha N v zemědělské produkci je úzce spojena s fotosyntézou. Při fotosyntéze se „fyzikální energie“ fotonů přeměňuje na „chemickou energii“ ATP a redukované metabolické meziprodukty, především NADPH, které se používají při syntéze asimilátů uhlíku a dusíku mnoha různých typů, zejména sacharidů a aminokyselin (Foyer et al., 2001). Ty „pohánějí“ syntézu biochemických složek orgánů a v konečném důsledku zajišťují strukturu celé rostliny (Lawlor et al. 2001). Základní mechanismy produkce asimilátů jsou zvažovány, protože jsou klíčové pro pochopení produkce plodin.

Asimilace CO2

Asimilace CO2 ve vztahu ke složení listů a přísunu N byla rozsáhle přezkoumána (Evans, 1983; Sage et al., 1987; Lawlor et al., 2001) a lze ji shrnout takto: N určuje syntézu aminokyselin, a tedy i bílkovin (viz dále) a nakonec všech buněčných složek. Rychlá rychlost asimilace CO2 vyžaduje odpovídající velké množství mnoha složek chloroplastů, zejména chlorofyl-proteinových komplexů sbírajících světlo (LHCP), elektronového transportu a NADP+-redukujících složek thylakoidů a enzymu ribulosa bisfosfát-karboxyláza-oxygenáza (Rubisco) asimilujícího CO2, plus dalších enzymů potřebných pro asimilaci CO2 ve stromatu. Základní vlastnosti (molekulová hmotnost, struktura) proteinů jsou dány geneticky. Mnoho enzymů je však velmi složitým způsobem regulováno faktory prostředí a rostlin (např. světlem, resp. fosforylací proteinů). Jak množství a aktivity proteinů a dalších složek v orgánech, tak i velikost orgánů určují celkovou kapacitu metabolismu. K dosažení velkých rychlostí asimilace CO2 na jednotku plochy listu je zapotřebí velkého množství molekul složek. Některé bílkoviny mají vysokou molekulovou hmotnost v poměru ke své aktivitě, takže v listech je přítomno značné množství bílkovin (velká hmotnost na jednotku listové plochy). K účinnému zachycení energie využívané při fotosyntéze je například zapotřebí velké množství chlorofylu na jednotku plochy, které je „podporováno“ bílkovinami (light harvesting chlorophyll-protein complexes, LHCP, v thylakoidech), takže thylakoidy obsahují mnoho N. Hlavní bílkovina chloroplastu a listu (zejména u C3 rostlin; Evans, 1983; Sage et al., 1987) je Rubisco, který katalyzuje reakci mezi CO2 a RuBP, při níž vzniká triosa fosfát; ten je exportován ze stromatu chloroplastu do cytosolu a poté přeměněn na sacharosu. Rubisco má nízkou katalytickou rychlost na hmotnost proteinu, takže rychlost asimilace CO2 běžně stanovená v listech C3 vyžaduje velké množství Rubisco. Množství Rubisco může dosahovat 8 g m-2 a tvořit až 30 % N v listech pšenice a až 50 % rozpustných bílkovin (Lawlor et al., 1989). Aktivně metabolizující listy obsahují odpovídající velké množství N. Pokud je přísun N během růstu listů nižší, než je potřeba k udržení potenciální rychlosti syntézy bílkovin atd, množství vytvořených složek je nedostatečné pro maximální asimilaci CO2 (Lawlor et al., 1988, 1989). Situace je samozřejmě složitější, než bylo nastíněno, protože asimilace CO2 nezávisí na množství složek, ale na jejich aktivitě, která závisí na dalších faktorech. Pokud se například sníží obsah Rubisco, pak se aktivita zvýší, takže má tendenci tuto změnu kompenzovat. Při nízké teplotě je k udržení dané rychlosti asimilace CO2 zapotřebí více Rubisco (a dalších proteinů a složek), protože metabolická aktivita klesá v důsledku pomalejší rychlosti enzymových reakcí (Lawlor et al., 1987b). Existuje tedy značná flexibilita ve vývoji fotosyntetického systému a v metabolismu, stejně jako složitá interakce s prostředím.

Nedostatek dusíku má velký vliv na chloroplasty, na jejich velikost, složení a funkci. Ve srovnání s těmi z rostlin pěstovaných s dostatkem N jsou menší a plošší, mají méně tylakoidních membrán, které jsou špatně poskládané, a menší podíl granálních a intergranálních tylakoidů a zvyšuje se podíl stromatu, například u rýže (Laza a kol., 1993) a cukrové řepy (Kutík a kol., 1995). Je zde méně LHCP, Rubisco a ATP syntázy (Theobald et al., 1998). Evans a Terashima však ukázali, že složení tylakoidů je relativně neovlivněno přísunem N, přičemž složky tylakoidů, aktivity elektronového transportu a rychlosti vývinu O2 při nasycení CO2 vyjádřené na bázi chlorofylu jsou u špenátu pěstovaného s velmi rozdílným přísunem N velmi podobné (Evans a Terashima, 1987). Naproti tomu obsah Rubisco a rozpustných bílkovin na jednotku chlorofylu byl větší při velkém obsahu N, což ukazuje, že při nízkém obsahu N byla kapacita pro asimilaci CO2 menší než pro elektronový transport. U pšenice je poměr Rubisco k chlorofylu relativně konstantní v rozsahu ošetření N, i když se zvyšuje při velkém N (Evans, 1983; Lawlor et al., 1989). Jiní autoři ukázali, že hmotnostní poměry Rubisco k celkovému chlorofylu se zvyšovaly s rostoucím přísunem N více než poměr ATP syntázy k chlorofylu (Nakano et al., 1997; Theobald et al., 1998). Poměr chlorofylu a/b není dodávkou N do značné míry ovlivněn, a to i přes velký pokles chlorofylu, což naznačuje, že dodávka N nereguluje rozdílně expresi LHCP (která obsahuje chlorofyl b) ve srovnání s ostatními složkami komplexu sklizně světla a reakčního centra. Zobecněním je, že přísun N sice diferencovaně mění expresi genetické informace řídící složení chloroplastů, zejména expresi Rubisco a ATP syntázy, ale ne expresi složek thylakoidní membrány (obr. 2). Aktivně se uvažuje o možnostech změny fotosyntetických mechanismů za účelem zvýšení asimilace CO2 (Paul a Lawlor, 2000). Určitého zvýšení bylo dosaženo změnou složení listů, nečekaně změnou metabolismu trehalózy, pravděpodobně prostřednictvím regulace vývoje (Paul a kol., 2001). Vzhledem k flexibilitě složení a funkce listů v reakci na podmínky prostředí, jako je světlo, by mohly být možné změny ke zlepšení využití N. Pokud však zahrnují zvýšení počtu, ale ne vlastností enzymů atd. pak se zvýší hmotnost bílkovin, a tím i obsah N a poptávka po N. Zvýšení obsahu Rubisco nemusí nutně zvýšit asimilaci CO2 na jednotku plochy v listech C3, a to ani při jasném světle, kvůli jiným omezením (např. přísun CO2) (Lawlor et al..), 1987,a, b; Millard, 1988; Millard a Catt, 1988), takže zvýšení množství složek nemusí být vždy účinné.

Dodávka CO2 pro fotosyntézu C3 je v současné atmosféře nedostatečná (360 μmol mol-1) a rychlost fotosyntézy a růst a výnosy plodin se v podmínkách Velké Británie zvýší asi o 30 %, pokud se zdvojnásobí. Touto jednoduchou změnou prostředí se tedy dosáhne genetického potenciálu (viz dále). Pokud by bylo možné zvýšit účinnost asimilace CO2 u rostlin C3 eliminací fotorespirace, pak by se zvýšila produktivita na jednotku akumulovaného N. V současné atmosféře CO2 byl často připomínán velký obsah Rubisca s nízkou katalytickou aktivitou v listech pěstovaných s hojným N, což vedlo ke koncepci snížení množství Rubisca nebo změny jeho vlastností (snížení množství bílkovin na jedno aktivní místo, zvýšení stavu aktivace atd. Neexistují však žádné důkazy, že je toho možné dosáhnout (a existují důkazy, že takové změny hluboce inhibují fotosyntézu). Vzhledem k velkému množství a nízké aktivitě Rubisco v listech, zejména při dostatečném přísunu N, byl považován za zásobní protein: je remobilizován ze starších listů a přispívá velkou částí bílkovin v rostoucích listech, když je N limitující, a k syntéze zásobních bílkovin, například v zrnu obilovin a hlízách brambor (Lawlor et al., 1987,a, 1989; Millard, 1988; Millard a Catt, 1988), což podporuje zásobní funkci. Tvrdí se, že syntéza bílkovin je neefektivním využitím energie, ale vzhledem k potřebě velkého obsahu Rubisco u C3 rostlin pro asimilaci CO2, zejména při vysokém osvětlení, a iontovým a osmotickým účinkům skladování

a aminokyselin, může mít syntéza Rubisco jako přechodné zásobárny hojného N výhody (Heilmeier a Monson, 1994). Tyto úvahy by neměly být zanedbávány, když se navrhuje snížit obsah Rubisco, aby se zlepšila účinnost využití N, například při zvýšeném obsahu CO2 (Mitchell a kol., 2000). Složitost úlohy Rubisca a jeho těsné začlenění do N-ekonomiky pšenice ukazuje proměnlivá rovnováha mezi udržováním schopnosti asimilovat CO2 ve starých listech a remobilizací Rubisca během senescence a plnění zrna. Změny této rovnováhy mají velký vliv na výnos a složení zrna. Tyto procesy ovlivňuje zejména nedostatek N, který snižuje celkovou asimilaci, protože listy mají kratší životnost, stárnou a ztrácejí fotosyntetickou schopnost rychleji než při jeho dostatku v důsledku remobilizace N do rostoucích orgánů (Brouqisse et al., 2001); zlepšení efektivní životnosti listů aplikací N (Lawlor et al., 1989) nebo šlechtěním (Sheehy et al., 2000) je osvědčenou metodou zvýšení výnosu. Přestože tyto interakce byly dobře popsány, je třeba lépe kvantifikovat vztah mezi dodávkou N na fotosyntetické a související systémy a optimalizovat dodávku N, množství Rubisco a rychlost fotosyntézy.

Mezi rostlinami C3 a C4 existují podstatné rozdíly v obsahu fotosyntetických složek v listech, jak se často diskutuje (Sage et al., 1987; Evans a von Caemmerer, 2000; Lawlor et al., 2001). Protože fotosyntéza C4 poskytuje vysokou koncentraci CO2, ve které Rubisco funguje, je pro asimilaci CO2 u C4 zapotřebí méně Rubisco než u C3, a to i přes vyšší rychlost asimilace CO2 u rostlin C4, a to i při velkém toku fotonů. V důsledku toho je obsah N na jednotku listu menší než u rostlin C3 a potřeba N je menší pro větší produkci, takže účinnost využití N je lepší. Modifikovat C3 rostliny směrem k tomuto šťastnému stavu je dlouholetou ambicí rostlinné biochemie, ale vyžaduje produkci Rubisco s menší nebo žádnou oxygenázovou kapacitou, takže se minimalizuje nebo eliminuje fotorespirace (příčina relativní neúčinnosti C3 rostlin). Jak bylo uvedeno výše, možnost inženýrského řešení Rubisco, které by eliminovalo fotorespiraci, je vzdálená. Proto byla navržena změna strukturních a metabolických vlastností C3 rostlin, aby bylo dosaženo prostředí s vysokým obsahem CO2 pro Rubisco, které se vyskytuje u C4 rostlin (Sheehy et al., 2000). Napodobit u C3 rostlin složitost syndromu C4 bude obtížné vzhledem k jeho značné enzymatické a anatomické složitosti. Je nepravděpodobné, že se podaří dosáhnout rychlého pokroku změnou biochemie a anatomie C3 na C4, a to navzdory zjevnému zlepšení fotosyntézy C3 rýže díky začlenění enzymů, které pravděpodobně zvyšují koncentraci CO2 v blízkosti Rubisco (Matsuoka et al., 2000), a určitým úspěchům při zvyšování asimilace CO2 (Ku et al..), 2000), tento žádoucí cíl se zdá být stále velmi vzdálenou perspektivou (Evans a von Caemmerer, 2000).

Příjem a asimilace dusičnanů

Příjem

kořeny závisí (Engels a Marschner, 1995) na koncentraci

v půdním roztoku, na objemu půdy využívané kořeny a hustotě zakořenění a na účinnosti kořenů při absorpci

. Ta je ovlivněna metabolickými nároky a podmínkami, jako je teplota (Macduff et al., 1987, 1993). Tok

na povrch kořenů závisí na rozsahu kontaktu s půdou a vodou, na rychlosti difúze z půdního objemu ve vodě a zejména je pro

důležitý transport v hmotnostním toku vody. To souvisí s transpirací plodin a obsahem vody v půdě. Velikost kořenů je funkcí růstu, a tedy i přísunu N, což je příklad silného zpětnovazebního efektu v rostlinné výrobě. Pro velký celkový příjem N plodinou z nízké

koncentrace je zapotřebí vysoké afinity

přenašečů spolu s větším počtem přenašečů na jednotku kořenového povrchu a větší délkou a plochou kořenů na objem půdy, aby se minimalizovalo omezení difuze. Skladovací kapacita pro

v buňkách by měla být velká, zejména tam, kde je metabolismus omezen, například při nízkých teplotách, kdy je fotosyntéza pomalá. Vnitřní účinnost využití N v celé rostlině (produkce biomasy na jednotku akumulovaného N) je dána integrovanými biochemickými procesy v rostlině. Jednotná křivka vztahující produkci k N v širokém rozmezí příjmu N a podmínek prostředí ukazuje (obr. 3), že účinnost procesů je dána geneticky. Schopnost produkce biomasy a příjmu N však může být velmi závislá na podmínkách prostředí, včetně

dodávky. Zvyšování celkové produkce vyžaduje dostatek N k dosažení asymptoty, ale největší produkce s nejmenším množstvím N vyžaduje optimalizaci, která nastává při menší než maximální produkci (Lawlor et al., 2001).

Zlepšení příjmu N z nízkých

koncentrací v půdě vyžaduje využití většího celkového objemu půdy a větší délku a plochu kořenů na objem půdy, aby se minimalizoval difuzní odpor, který může být hlavním omezením. Kromě toho větší počet transportérů na jednotku povrchu kořene zvýší transportní vlastnosti kořene. Zvýšení afinity transportního systému k

by bylo velkým pokrokem; ten je však již velký, protože

lze odstranit z mikromolární koncentrace v dobře promíchaných roztocích (Engels a Marschner, 1995) a může být velmi obtížné ho dosáhnout.

Metabolismus dusičnanů, který může probíhat v listech a kořenech v závislosti na druhu rostliny, je dobře prostudován (viz články v Lea a Morot-Gaudry, 2001). Zaměříme-li se pouze na listové buňky,

je redukován na NH3 nitrátovou a nitritovou reduktázou s využitím elektronů z fotosyntetického elektronového transportu. NH3 je přeměněn na aminokyseliny enzymovou reakcí GS/GOGAT a „uhlíkové skelety“ jsou dodávány organickými kyselinami pocházejícími z cyklu trikarboxylových kyselin v mitochondriích. Sacharidy pro syntézu organických kyselin pocházejí nakonec z fotosyntetické asimilace CO2 a ATP pro reakci GS/GOGAT vzniká fotosyntézou a dýcháním. V nejranějších fázích metabolismu N a C tedy dochází k úzké interakci, obě využívají světelnou energii, přičemž přibližně 10 % toku elektronů ve fotosyntetizujících listech se využívá k

redukci (Foyer et al., 2001). Poměr asimilovaného uhlíku a N však není pevně stanoven, protože pokud se zásoba

zvyšuje v poměru k CO2, pak se hromadí více aminokyselin a proteinů v poměru k rychlosti asimilace CO2 a k obsahu sacharidů, který může při stimulaci růstu klesat (Lawlor et al., 1987,a, b, c). Mezi procesy existuje konkurence: v listech omezený

snížil obsah ribulosa bisfosfátu (RuBP), substrátu pro asimilaci CO2, ale zvýšil poměr ATP/ADP, což naznačuje, že může existovat konkurence o reduktant (Mächler et al., 1998). Vzhledem k většímu potenciálu asimilace CO2 v listech pěstovaných s velkým přísunem N může být rozsah konkurence mezi asimilací CO2 a

skrytý. Poměr N/C se mění v závislosti na dostupnosti zdrojů, zejména N, ale také CO2, a klesá, když stoupá nabídka CO2 (Theobald et al., 1998), a je velmi závislý na teplotě. Například v chladných podmínkách se růst orgánů zpomaluje více než asimilace a využití N, takže poměr N/C se ve srovnání s teplými podmínkami zvyšuje. Když je k dispozici dostatek

, je velká část N „uložena“ (tj. metabolicky neaktivní) jako bílkoviny a v menší míře jako aminokyseliny a

v krátkodobých nebo dlouhodobých zásobnících, dokud není jejich kapacita nasycena. Jejich schopnost musí být geneticky podmíněna, i když způsob jejich regulace není dobře znám (Heilmeier a Monson, 1994).

Význam syntézy proteinů a genetických a environmentálních faktorů regulujících množství a relativní poměry různých proteinů je ústředním bodem každé diskuse o účincích N na metabolismus a růst. Rychlost syntézy bílkovin, pokud nejsou všechny ostatní faktory limitující, závisí na teplotě. Při velmi nízkých teplotách se zastavuje, s rostoucí teplotou se zvyšuje na maximum a s dalším zvyšováním klesá. To ovlivňuje všechny rostlinné procesy a mění poptávku po aminokyselinách, a tedy i po dusičnanech. Experimentální důkazy ukazují, že s klesající potřebou syntézy bílkovin se aminokyseliny hromadí a klesá potřeba

, nikoli však jejich příjem, takže

se hromadí, reakce na

koncentraci se tedy mění a dochází k výrazné interakci mezi teplotou a nabídkou dusičnanů a růstem (Lawlor et al., 1987,a, c, 1988; Miller et al., 2001). Při nedostatku N klesá obsah aminokyselin v listech, syntetizuje se méně bílkovin a růst se obecně snižuje více než fotosyntéza, takže se hromadí sacharidy a poměr N/C je nízký. U plodin jsou podrobnosti o těchto procesech a interakcích vzácné, ačkoli jsou klíčové pro pochopení mechanismů jejich růstu a pro potřeby N.

Modifikace metabolismu dusíku je potenciálně možná, protože existuje velká přirozená variabilita procesů a zejména kapacity (Limami a de Vienne, 2001). Zvýšení množství aktivity nitrátreduktázy na jednotku listové plochy je potenciální cestou ke zvýšení celkového množství redukovaných dusičnanů; je indukována

a její regulace je složitá, což nabízí možnost změny množství, a tedy i rychlosti redukce dusičnanů. Při dostatečném množství

je zřejmé (viz dřívější diskuse), že z akumulace dusičnanů (Lawlor et al., 1987a) vyplývají omezení rychlosti redukce v závislosti na podmínkách prostředí, zejména na teplotě. Také akumulace aminokyselin ukazuje, že syntéza bílkovin je limitující. Při úvahách o tom, jak by se mohl změnit metabolismus související s N, je zřejmé, že v celém metabolismu existují velmi složité interakce a značné vlivy prostředí, které společně určují růst rostliny a její složení.

Modifikace procesů syntézy bílkovin by představovala zásadní změnu v základním metabolismu. Zvýšení množství bílkoviny by vyžadovalo zvýšení kapacity pro syntézu, například zvýšením počtu míst, protože při dané teplotě s dostatkem aminokyselin by byla stávající kapacita limitující. K tomuto zapnutí kapacity může skutečně dojít u rostlin s velkým obsahem bílkovin a v reakci na dostatek

. Tyto koncepty však nebyly téměř vůbec prozkoumány. Zvýšení množství

absorbovaného a využitého při podsítném a sytém zásobování bude vyžadovat různé přístupy a potenciálně mnoho změn v metabolismu.

Růst a složení listů

Rychlost a složení listů jsou během růstu podstatně ovlivněny N a jsou dobře zdokumentovány a pochopeny z hlediska změn struktury, ačkoli mechanismy nejsou tak dobře známy (Nelson a Dengler, 1997). Zvláště citlivě reagují na zvyšující se přísun N, pokud je tento limitující (viz oddíl o křivkách reakce na N). To se ukázalo v pokusech (Lawlor et al., 1987,a, b, c, 1988), které zkoumaly relativní účinky a interakce mezi teplotou a přísunem N na list pšenice. Při chladných (13/10 °C denní/noční teplota) ve srovnání s teplými (23/18 °C) růstovými podmínkami a při nedostatečném (4,5 mM) ve srovnání s hojným (19,9 mM)

přísunu N se snížila rychlost růstu listů, ale nezkrátila se doba jeho trvání, i když se snížila jejich konečná velikost (tab. 1). Listy obsahovaly méně buněk menšího objemu. Nízký obsah N snížil obsah rozpustných (včetně Rubisco) bílkovin a rychlost syntézy bílkovin na list, ale zvýšil poměr strukturních a nestrukturních bílkovin. Přísun

je pro růst listů klíčový, protože bílkoviny hrají roli při růstu buněčných stěn a cytoskeletu, a tedy i při rozšiřování buněk (Lawlor et al., 1988). Zdá se, že syntéza strukturních bílkovin má přednost před ostatními složkami, protože při velmi nízké dostupnosti N se zvyšuje obsah zbytkových (nerozpustných) bílkovin N oproti rozpustným, což naznačuje, že pro syntézu základních buněčných struktur je nutné určité množství (3 g m-2) bílkovin (Lawlor et al., 1989; Theobald et al., 1998), bez nichž se ostatní struktury nemohou tvořit. Při hojném přísunu N do metabolismu se minimalizuje a zpomaluje stárnutí listů atd. a prodlužuje se tak jejich efektivní životnost (délka trvání listové plochy). Co určuje relativní citlivost syntézy buněčných složek na

, není jasné. Není znám vztah například mezi koncentrací

v jednotlivých buněčných kompartmentech (Miller et al., 2001) a koncentrací aminokyselin, ani to, jak souvisí s rychlostí syntézy Rubisco nebo proteinů buněčné stěny. Taková specifičnost reakce je důležitá pro pochopení mechanismů, protože růst buněk souvisí různě s akumulací Rubisco a fotosyntézou v závislosti na přísunu N, což ovlivňuje vztahy mezi velikostí buněk, rychlostí asimilace a složením tkání. Nižší teploty snížily rychlost růstu rostlin a konečnou plochu, ale prodloužily dobu expanze listů. Rozpustné a Rubisco bílkoviny na jednotku listové plochy se však zvýšily navzdory snížené rychlosti syntézy bílkovin na list. Interpretace je taková, že nižší teplota zpomalovala syntézu bílkovin méně než zpomalovala expanzi listů, takže obsah bílkovin se ve srovnání s teplými podmínkami zvýšil (Lawlor et al., 1988). Tím se zachovala rychlost metabolismu navzdory nižší teplotě. Komplexní změny v množství

, aminokyselin a sacharidů s dodávkou N a teplotou lze vysvětlit tím, že různé procesy – syntéza bílkovin, růst orgánů, rychlost fotosyntézy – reagují různě na podmínky prostředí. Možné interakce jsou naznačeny na obr. 4. Vysvětlení způsobu růstu plodin, vlivu N na procesy a interakcí s teplotou atd. bude nakonec vyžadovat mnohem lepší pochopení toho, co určuje růst a složení listů. Ovlivnění změn ve vývoji, stárnutí a složení listů za účelem zvýšení produkce a účinnosti využití N bude vyžadovat modifikace systémů odpovědných za vývoj, dělení a růst buněk. Plasticita růstu a složení, k níž dochází v reakci na přísun N a další podmínky prostředí, naznačuje, že existuje potenciál pro změnu růstu listů atd., ale stejně jako u metabolických procesů nejsou limitující procesy jasné a přímá modifikace může být velmi obtížná. Není známo, jak ke změnám došlo při evoluci různých druhů nebo ekotypů přizpůsobených různým podmínkám, ani při selekčním šlechtění různých odrůd.

Růst plodin, výnos a N

O tomto tématu bylo napsáno mnoho (Lawlor et al., 2001), a proto se mu zde věnujeme jen velmi stručně. V podstatě existuje lineární vztah mezi celkovou sušinou vyprodukovanou plodinou a zářením, které plodina zachytí (Monteith, 1977); je to proto, že světlo poskytuje energii pro veškerý metabolismus. Zachycení záření závisí na indexu listové plochy (LAI; poměr listové plochy k půdní ploše), a tedy na velikosti listů a jejich počtu, který je u obilovin značně ovlivněn odnožováním a, jak již bylo uvedeno, asymptoticky závislý na dodávce N. Vztah mezi LAI a záchytem záření však není lineární: při LAI větším než přibližně 3 se záchyt PAR blíží přibližně 90 % a další zvyšování LAI již záchyt světla příliš nezvyšuje. Kromě vlivu N na listovou plochu dochází při velkém přísunu N k nárůstu rychlosti fotosyntézy, a to z důvodů, které byly popsány výše. V důsledku těchto dvou souvisejících účinků existuje silný asymptotický vztah mezi biomasou a zásobou N (obr. 2, viz diskuse o křivkách odezvy na N). Biomasa se lineárně zvyšuje se zvyšující se zásobou N od malých hodnot (v této oblasti jsou značné přírůstky produkce důsledkem malého zvýšení N) a dosahuje plató při velké zásobě, kdy plodina roste geneticky určenou potenciální rychlostí.

Obsah N/jednotka biomasy (N % v sušině) se často používá jako ukazatel toho, jak dostatečná je zásoba N pro růst plodiny (Lawlor et al., 2001). N % však není pevná hodnota a s vývojem plodiny a změnou její struktury a biochemického složení se snižuje. Na počátku růstu se tvoří listy s velkým obsahem bílkovin atd. a později podpůrné stonky s větším množstvím celulózy a ligninu a malým množstvím bílkovin. Obsah N (N %) se tedy s věkem snižuje a závisí také na prostředí. Nedostatek N snižuje N%, protože se snižuje poměr listů a stonků a obsah bílkovin a chlorofylu v listech klesá více než obsah sacharidů (viz dříve). Změny N% byly využity k plánování aplikace N do plodin (Lawlor et al., 2001) a další vývoj těchto technik bude mít nepochybně praktický ekonomický význam.

Výnos je ta část rostliny nebo plodiny, která se využívá k určitému účelu, takže bude záviset na plodině a požadavcích člověka. V případě obilovin je primárním výnosem zrno a celková produkce závisí na počtu rostlin na plochu, palic na rostlinu, počtu klasů na palici, zrn na klas a hmotnosti na zrno. Během raného růstu určuje tvorba palic a listů pozdější schopnost tvorby zrn a produkce asimilátů k jejich naplnění. K dosažení genetického výnosového potenciálu je tedy třeba optimalizovat všechny tyto faktory ovlivňující růst mnoha částí systému, z nichž každá je regulována složitým způsobem, a to po celou dobu života plodiny (Slafer et al.,

Při dostatečné

a asimilaci CO2 je přísun asimilátů do vyvíjejících se meristémů dostatečný pro udržení jejich růstu, takže se vytvoří a přežije více palic na rostlinu a plochu, a podobně je tomu i u zrna. Také schopnost zrn růst se zvyšuje, pravděpodobně proto, že se vytváří více buněk s větší enzymovou kapacitou. Vzhledem k dostatečnému množství asimilátů při plnění zrna se naplní více zrn a jsou větší. Tyto faktory společně vedou k velkému výnosu. V běžných polních podmínkách se relativní produkce vegetativních a reprodukčních orgánů na různých stanovištích a v různých letech liší v důsledku rozdílů v prostředí, zejména v zásobení dusíkem. Proto poměr výnosu zrna a biomasy (index sklizně, HI) není konstantní, ale mění se v závislosti na podmínkách. Tam, kde jsou rozdíly v prostředí omezené, je HI relativně konstantní, ale pokud je během raného růstu k dispozici méně asimilátů, přežívá méně palic, což má za následek méně klasů a zrn v klasu, a tedy i nižší výnos. Později může omezená asimilace snížit plnění zrna. Značný význam má zásoba N, která ovlivňuje dostupnost aminokyselin pro syntézu bílkovin během tvorby zrna a později jako zásobní bílkoviny (Heilmeier a Monson, 1994).

Možná je příliš málo doceněno, že různé procesy přispívající ke složkám výnosu jsou relativně nezávislé, přičemž je ovlivňují různé faktory, a že existuje podstatný zpětný vliv z raného růstu. Značný význam má také doba působení faktorů prostředí vzhledem k vývoji rostliny a jejích jednotlivých orgánů. Protože působí mnoho faktorů a jsou dynamické, nelze reakce plodin snadno předvídat, přesto mají z agronomického hlediska značný význam. Mnoho způsobů využití plodin je velmi citlivých na kvalitativní charakteristiky, například u pivovarského ječmene je požadován nízký obsah bílkovinného N v zrnu, takže pozdní přísun N by měl být minimální, aby se snížil obsah bílkovin, ale pro dosažení výnosového potenciálu je nutná časná aplikace N, což vede ke konfliktu, který je komplikován dostupností N z půdy. Je důležité lépe pochopit mechanismy těchto procesů, aby bylo možné předvídat požadavky rostlin na N. Změny výnosu a kvality (včetně obsahu N) šlechtěním byly pozoruhodné a trvalé. Vyšší výnosy nebyly u pšenice výsledkem zvýšené produkce biomasy, ale z velké části výsledkem zvýšeného počtu zrn a velikosti, do které mohou být naplněna. K tomu došlo na úkor vegetativního růstu, takže se zvýšila HI (Evans, 1998). Je zřejmé, že nabídka asimilátů držela krok s genetickým potenciálem pro produkci zrna. Základní změny v metabolismu, které tyto změny doprovázely, však nejsou pochopeny, takže nabízejí jen málo vodítek pro modifikace zaměřené na úroveň metabolických procesů.

Genetický potenciál

Genetický potenciál lze definovat jako celkovou schopnost rostliny tvořit biomasu nebo výnos při odstranění environmentálních omezení (Richards, 1996); šlechtitelé a agronomové se často odvolávají na výnosový potenciál, ačkoli při úvahách o tom, jak lze zvýšit potenciální růst plodin, je důležitější celková produkce. Výnosový potenciál je funkcí genetické informace, která specifikuje vlastnosti bílkovin, a určuje tak strukturu, růst a vývoj a velikost, do které může systém vyrůst. Tuto maximální velikost v průběhu růstového cyklu lze nazvat genetickým potenciálem. Také maximální rychlosti procesů jsou určeny geneticky. Genetický potenciál zatím nelze kvantitativně definovat ze základních principů, takže je nutná operační definice. Protože rostliny (na příkladu pšenice) často vytvářejí velké množství meristémů schopných růstu za příznivých podmínek, reagují výrazně na dostupnost zdrojů, tj. jsou velmi „plastické“. Proto je genetický potenciál definován za konkrétních podmínek (Richards, 1996). Pro zemědělství je to zpravidla na jednotku plochy půdního povrchu spolu s běžným dopadajícím slunečním zářením, teplotou a atmosférickým CO2 pro danou lokalitu, které jsou relativně rovnoměrné a obtížně modifikovatelné. Jak již bylo zmíněno, zvýšení aktuálního atmosférického CO2 podstatně zvyšuje biomasu a výnos, což ukazuje, že výnosový potenciál závisí na podmínkách a způsobu jeho definování. Zvláštní význam má teplota, která ovlivňuje rychlost biochemických procesů (viz dřívější diskuse), a určuje tak potenciál, přičemž maximální potenciál se vyskytuje při optimální teplotě nebo v optimálním teplotním rozmezí. Avšak ty faktory prostředí, které lze v zemědělství změnit, jako je výživa, zásobování vodou a škůdci a choroby, se upravují tak, aby nebyla ovlivněna produkce, tj. neomezují genetický potenciál. Vzhledem k mnoha procesům v zemědělství, které jsou určitými podmínkami různě ovlivňovány, může být nutné podmínky spíše optimalizovat než maximalizovat. Měření genetického potenciálu se tedy může lišit v závislosti na prostředí (interakce genotyp × prostředí nebo G × E; Hollamby a Bayraktar, 1996).

Přibližně polovina podstatného zvýšení výnosů v minulém století byla získána díky zlepšení genetických vlastností plodin, zbytek díky zlepšení hospodaření, zejména zvýšenému hnojení (Austin a kol., 1993). Ve skutečnosti byla „zelená revoluce“ založena jak na zlepšení genetického potenciálu, tak na zajištění správných podmínek, zejména živin, ve správném množství a ve vhodnou dobu (Evans, 1998). Šlechtění rostlin nezvýšilo genetický potenciál pro produkci biomasy u plodin, jako je pšenice, protože staré a nové odrůdy produkují za správných podmínek podobnou biomasu. Zvýšilo však výnosový potenciál zrna, a tím i poměr hmotnosti zrna k celkové nadzemní biomase neboli sklizňový index. Kvalitativní charakteristiky zrna, jako je poměr bílkovin a sacharidů (např. u ječmene pro krmení zvířat nebo pivovarnictví) nebo podíl různých bílkovin (např. pro výrobu chleba), byly rovněž modifikovány: jsou rovněž ovlivněny prostředím, např. přísunem N.

Zlepšení potenciálu plodin vyžaduje identifikaci specifických částí metabolismu, které musí být změněny, aby bylo dosaženo daných výstupů. Pokud je zásoba N taková, že je dosaženo stávajícího výnosového potenciálu, jediným způsobem, jak zvýšit produkci, je zlepšit účinnost, s níž je N v metabolismu využíván. Metabolismus musí být změněn buď tak, aby se dosáhlo větší asimilace C na jednotku N, nebo aby se zvýšila kapacita využití N. První způsob zvýší biomasu, ale sníží poměr C/N a neposkytne více bílkovin. Druhá možnost nemusí být dosažitelná, protože světlo by bylo hlavním omezením, protože při velkém N je LAI již tak velký, že je využito více než 95 % dostupného záření (Sheehy et al., 2000). Překonání tohoto omezení by vyžadovalo nejrozsáhlejší změny ve fotosyntetickém metabolismu a představovalo by obrovský problém (Evans a von Caemmerer, 2000). Pokud je N limitující, je zapotřebí schopnost zvýšit příjem N ze zředěného roztoku nebo zvýšit objem využívané půdy, tj. zvýšit účinnost absorpce nebo růst kořenů. Účinnost asimilace C na jednotku N v rostlině by zůstala stejná, ale produkce biomasy by se zvýšila, stejně jako poměr N/C, stejně jako u současných plodin zásobovaných dostatečným množstvím N. Zvýšení asimilace C na jednotku N by potenciálně zvýšilo biomasu (pokud by byla k dispozici světelná energie), ale snížilo N/C. Pokud se dodávka N do kořenů mění tak, že krátkodobě neodpovídá rychlosti růstu, pak by poskytnutí velkých zásob N v rostlině bylo způsobem, jak zajistit dostatek N k uspokojení biochemických požadavků (Macduff et al., 1993). Takový přístup by mohl být snadněji dosažitelný než úprava základního metabolismu, protože zvýšení kapacity pro ukládání bílkovin, „konečného produktu“, by nevyžadovalo rozsáhlou regulaci. Aby však byl účinný jako dočasná zásobárna N, byl by zapotřebí remobilizační mechanismus se systémy pro detekci nedostatku N a spuštění odbourávání bílkovin. Samozřejmě, pokud míra zásobování ze zásobníků a z půdy dlouhodobě klesne pod potřebu, bude růst omezen. Zde je důležité pochopení základních procesů asimilace uhlíku a dusíku a jejich vztahu k výnosu plodin. Mohlo by být vodítkem pro agronomickou praxi, šlechtění a genové inženýrství.

Křivky odezvy na N

Pro určení vztahu mezi růstem a zásobou N s limitujícím N a genetického potenciálu s nelimitujícím N se plodiny pěstují ve standardním (nebo alespoň stejném) prostředí světla, teploty a CO2 – které nemusí být optimální pro největší produkci – přičemž všechny ostatní podmínky nejsou limitující s výjimkou zásoby N (Angus, 1995). N-hnojivo se pak aplikuje na různé oblasti plodiny v různém množství (od nuly až po překročení požadavku). Růst biomasy nebo výnosu plodiny se pak určuje jako funkce množství aplikovaného N. Vztah mezi růstem plodiny a množstvím aplikovaného N byl zjištěn v nesčetných pokusech a byl často diskutován (Ter Steege et al., 2001). Zobecněná odpověď (obr. 2) ukazuje, že při velmi malém nedostatku N je produkce velmi malá a lineárně roste s přívodem N, až je nakonec dosaženo asymptoty, tj. další zvyšování N nezvyšuje produkci, což je genetický potenciál. Pokud je růst vztažen k N akumulovanému plodinou, je počáteční sklon, který je skutečnou nebo vlastní účinností využití N rostlinou, strmější (více biomasy na jednotku N), než pokud je vztažen k aplikovanému N. V případě, že je růst vztažen k N akumulovanému plodinou, je počáteční sklon strmější. Tento rozdíl je měřítkem účinnosti, s jakou je N využíván, stejně jako rozdíl mezi bodem, kdy je dosaženo plató pro produkci biomasy při vyjádření na jednotku absorbovaného N a aplikovaného N. Sklon křivky vztahující se k produkci a aplikovanému N je účinnost využití aplikovaného N. Při nízké dodávce N je účinnost velká a s rostoucí dodávkou N v obou případech klesá. Rozdíl mezi aplikovaným a akumulovaným N poskytuje cenné informace o zdrojích a ztrátách N (Bacon, 1995; Ter Steege et al., 2001). N může pocházet jak ze srážek a půdních zásob, tak z aplikovaných hnojiv, takže výrazně ovlivňuje zdánlivou odezvu odvozenou od aplikovaného N. Podobně ovlivňují interpretaci ztráty N v důsledku vyplavování, bakteriálního metabolismu a emisí z půdy a rostlin atd.

Použití křivek odezvy na N poskytlo mnoho kvantitativních informací o potřebách N, načasování atd (Angus, 1995; Lawlor et al., 2001). Dřívější studie ukázaly v podstatě asymptotickou povahu reakcí rostlin na živiny, včetně dodávky N, jak bylo diskutováno u křivek reakce na N. Tento koncept shrnul Blackmanův „zákon limitujících faktorů“. Mitscherlich například vypracoval rovnici (Y=Ymax(1-e-cN) vztahující výnos Y k množství aplikovaného dusíku N a k maximálnímu výnosu Ymax, který je dán asymptotou křivky závislosti Y na dodávce N; c je faktor zakřivení. Ymax (což je míra genetického potenciálu) a c se liší mezi ročními obdobími a také stanovišti a nelze je snadno aplikovat na různé podmínky, ale tento přístup umožňuje odhadnout potřebu N (pro diskusi viz Angus, 1995). Aby bylo dosaženo Ymax, musí být dodáno správné množství N (Nmax), například pokud se jedná o plodinu s 10 t ha-1 zrna při Nmax 2 % N (celkem 200 kg N) a 10 t ha-1 slámy při Nmax 0,5 % N (celkem 50 kg N), pak je potřeba 250 kg ha-1 pro celou plodinu. To také představuje poptávku plodiny po N a lze ji ztotožnit s genetickým potenciálem pro příjem N a produkci výnosu. Pokud je rozdíl mezi množstvím N v rostlině (Nmin) menší než Nmax, pak je potřeba N (potřeba, D) dána vztahem D=(Nmax-Nmin)×hmotnost plodiny. To poskytuje jednoduché posouzení potřeby N, ale musí být založeno na průměrech dlouhodobých opakovaných měření.

Ukazatele stavu a metabolismu N v zemědělství

Vzhledem k potřebě upravit množství a načasování aplikace N do plodin, aby se zvýšila produkce a efektivita a snížilo znečištění, je logické měřit N v rostlině, aby se ukázaly požadavky na N (Neeteson, 1995). Měření N v půdě je méně přímé a nemusí odrážet dynamiku procesů v plodině a vliv prostředí na plodinu. Měření N musí být rychlé, snadné a účinné a také levné. Protože listy obsahují velkou část N v plodině, měří se obvykle celkový N nebo složky úzce související se zásobou N, které rychle reagují na změnu zásoby N a její vztah k poptávce. Analýza celkového N je pomalá, vyžaduje odběr a přípravu vzorků tkání a specializované analytické vybavení, a proto se obvykle nepoužívá k měření dynamiky N. Rychlé kolorimetrické testy

koncentrace (která závisí na nabídce a poptávce po

) v malých vzorcích vyjádřené mízy lze provádět v terénu, jsou rychlé a levné a byly považovány za užitečný indikátor stavu N, ale nebyly široce používány jako vodítko pro aplikaci N (Neeteson, 1995). Obsah chlorofylu, který silně souvisí se zásobou N, lze měřit v terénu pomocí fotometru, jako je chlorofylmetr Minolta SPAD-502 (Minolta Camera Company, Ramsey, NJ, USA), který je rychlý a opakovatelný. Údaje SPAD jsou kalibrovány pro získání obsahu chlorofylu v listech nebo přímo korelovány s výkonností rostlin (Peltonen et al., 1995), což poskytuje praktickou metodu hodnocení stavu a požadavků na N, i když méně dynamickou než testy

obsahu. Takové přístupy založené na biochemických a fyziologických poznatcích by měly být podporovány.

Modelování dusíku v prostředí a v rostlinách

Při posuzování potřeby dusíku u plodin má velký význam použití křivek N-odezvy (Angus, 1995). Tyto metody jsou však zobecněním, které nemůže snadno zohlednit rozdíly mezi plodinami na různých stanovištích a v různých letech v důsledku rozdílné nabídky N a počasí, které ovlivňuje potřebu plodin, ztráty N atd. Aby bylo možné rychle reagovat a „vyladit“ nabídku na poptávku, jsou nutné dynamické přístupy. Modely těchto procesů jsou dobře vyvinuty a široce využívány k doporučování aplikací N-hnojiv (např. v systémech pro podporu rozhodování), zvyšování účinnosti využití N a snižování znečištění (Addiscott et al., 1995). Je zapotřebí zdokonalit modely, konkrétně řešit procesy v plodinách (např. rychlost růstu, kterou lze měřit nebo modelovat na základě teploty) v krátkodobém horizontu, aby bylo možné posoudit požadavky na N ve specifických obdobích nebo fázích růstu plodin. Relativně málo se v simulačních modelech využívají biochemické informace k lepšímu pochopení mechanismů a také ke zlepšení aplikace N (načasování a množství).

Hlavními omezeními pro typ použitého simulačního modelování jsou: nedostatečné kvantitativní pochopení jednotlivých částí mechanismů (charakteristiky enzymů, velikosti poolů meziproduktů), nedostatečné znalosti o spojení mezi různými mechanismy (spojení mezi asimilací C a N, transport v rostlině) a obtížnost propojení krátkodobých měření základního metabolismu s celkovými reakcemi plodin. Složitost systému znemožňuje vývoj skutečně „mechanistických“ simulačních modelů a vyvolává otázku, jak složitý může být model, aby byl srozumitelný, stabilní a testovatelný? Komplexní metabolické modely jsou cenné pro zkoumání a kvantifikaci mechanismů a ukazují, jaké informace jsou potřebné (Evans a von Caemmerer, 2000). Zkušenosti ukazují, že velmi složité modely mají v praxi omezenou hodnotu. Modely obvykle obsahují empirické vztahy, které, pokud jsou dobře otestovány, mohou při aplikaci zajistit přijatelnou přesnost. Pro zlepšení účinnosti využití N je třeba vyvinout a zdokonalit více úsilí při tvorbě simulačních modelů založených na empirických vztazích a zahrnujících biochemické informace.

Možnosti do budoucna

Je pravdou, že procesy, které se podílejí na produkci plodin, jsou velmi složité a mnohovrstevnaté, od molekul až po celý organismus, a faktory prostředí ovlivňují všechny úrovně organizace. Podstatné je, že pokud je přísun N menší, než je nutné pro dosažení genetického potenciálu, je třeba zvýšit příjem N, aby se získala větší biomasa. Toho lze dosáhnout buď zvětšením objemu využívané půdy a snížením difuzních omezení větší hustotou kořenů, nebo zvýšením afinity kořenů k N. Pravděpodobně je zapotřebí všech možností. Alternativně by se mohla zvýšit asimilace C na jednotku akumulovaného N, takže při menší akumulaci N by vznikla větší biomasa. Zvýšení genetického potenciálu biomasy by teoreticky mohlo být dosaženo zvýšením asimilace C na jednotku akumulovaného N za cenu zvýšení poměru C/N. To předpokládá, že by byla k dispozici dostatečná světelná energie, což je nepravděpodobné, protože téměř veškerá energie je nyní absorbována při plné koruně. Pokud by se asimilovalo více N, ale beze změny bilance s asimilací C, teoreticky by to zvýšilo biomasu a zachovalo současný poměr C/N. Pak by však pravděpodobně došlo k omezení světla. Alternativně by se biomasa mohla zvýšit prodloužením doby, po kterou je světlo absorbováno (delší vegetační období) a efektivně využíváno (genotypy „stay green“). První možnost je jedním z hlavních důvodů větší biomasy a výnosu ozimé pšenice ve srovnání s pšenicí jarní. Druhá možnost je také využívána.

Pochopení toho, jak procesy reagují na N, je klíčem ke zlepšení produkce a účinnosti využití N a je nezbytné, pokud má být zvýšen genetický potenciál (Sheehy et al., 2000). Reakci celé rostliny, jakožto ústředního prvku v zemědělských systémech, na podmínky prostředí lze pochopit pouze tehdy, je-li doceněna organizace systému. Kromě toho je třeba vyhodnotit faktory prostředí, jimiž se řídí dodávka N. Není však možné analyzovat všechny aspekty dohromady v různých podmínkách v rámci jednoho výzkumného programu nebo je kombinovat pro praktické použití, proto je nutné modelování. To vedlo k různým koncepcím, jak se vypořádat s „problémem“ pochopení potřeby N a jak využít N k úpravě a zlepšení kvality a množství zemědělských produktů. Extrémem jsou redukcionistický a agronomický přístup. Redukcionismus se domnívá, že znalost struktury genomu poskytne dostatek informací, které umožní modifikovat vlastnosti rostlin ve vybraných směrech, aby se zlepšila reakce na N a zvýšila produktivita, účinnost a výnosový potenciál zemědělských systémů. Zdá se, že takový názor je mezi molekulárními biology a genovými inženýry přijímán (Matsuoka et al., 2000). V současné době je mnoho úsilí a nadšení zaměřeno na pochopení genomů rostlin a naděje na zvýšení produkce potravin se soustřeďují na genetické modifikace s cílem zvýšit genetický potenciál. Vzhledem ke složitosti subsystémové povahy rostlin a značné interakci s prostředím. Považuji tento názor za špatně založený a neudržitelný i v jeho méně extrémní podobě. Podobně se kdysi nahlíželo i na úlohu biochemie (např. regulace produkce plodin pomocí aktivity nitrátreduktázy), ale v praxi z ní vyplynulo poměrně málo konkrétních modifikací a agronomických zlepšení. Biochemické myšlenky a informace měly zásadní význam pro pochopení systému rostlina-prostředí. Současné koncepce představují interaktivní a dynamické biochemické systémy s mnoha zpětnovazebními a zpětnovazebními regulačními procesy, které zajišťují stabilitu a flexibilitu metabolismu, růstu atd., ale mohou být obtížněji měnitelné konkrétním způsobem, než se předpokládá. Agronomický přístup je v podstatě empirický, založený na experimentálním stanovení požadavků na vstupy pro maximální (nebo optimální) produkci: tato osvědčená metoda je úspěšná, ale omezená v prostoru a čase, a tudíž specifická, a tudíž přenositelná pouze obecně. To není to, co je zapotřebí pro jemné vyladění zdrojů s produkcí v zemědělství, a vedlo k nevyužití mechanističtějšího biochemického porozumění (možná spojeného se simulačním modelováním) pro zlepšení efektivity a snížení znečištění atd.

Zvýšení výnosového potenciálu za posledních 50 let vyplynulo z empirického selekčního šlechtění, přičemž biochemické a fyziologické vstupy vedly k lepšímu pochopení procesů (jako jsou ty, které regulují kvalitu bílkovin zrna, odolnost vůči chorobám atd.) a výběrových kritérií a k podstatnému zlepšení analytických metod. Selekční šlechtění z velké části rekombinuje genetickou informaci a vybírá „konečné produkty“, jako je množství a kvalita zrna. Tento postup vede k výběru biochemických procesů a jejich kombinací, které optimalizují činnost subsystému, ale v podstatě se k systému chová jako k „černé skříňce“. Zatímco tento přístup bude pravděpodobně ještě mnoho let zajišťovat většinu zlepšení vlastností plodin, je třeba využít potenciál, který nabízí molekulární biologie pro změnu genomu, a tím i základních biochemických procesů. Má-li však být úspěšný, vyžaduje integraci s pochopením biochemických procesů a jejich interakcí s prostředím (Snape, 1996). Genové inženýrství mění systém ve specifických bodech, které byly identifikovány jako klíčové nebo limitující kroky v metabolismu. Neexistuje však gen pro účinnost využití N nebo pro výnos či kvalitu zrna, ale mnoho genů kódujících proteiny, které určují strukturu a chování různých biochemických a fyziologických subsystémů. Je tedy pravděpodobné (a nyní často prokázané), že změny genomu nepovedou k zásadním změnám v základním metabolismu, o jakých se zde hovoří (Paul a Lawlor, 2000). Také reakce na podmínky prostředí může být komplexní, zahrnující zmíněné interakce G×C, což vyžaduje posun v pojetí od genomu ke genomu v prostředí (Sheehy a kol., 2000). Pokud toto nebude rychle doceněno, současný úbytek biochemických a fyziologických znalostí o rostlinách v mnoha zemích ve prospěch molekulární biologie zkreslí znalostní základnu. Podstatně oslabí klasičtější metody útoku na základní problém, jak zlepšit produkci, tím, že zpomalí aplikaci současných poznatků o technologii hnojení. Zabrání také dalšímu zdokonalování přístupů, u nichž je pravděpodobnější, že budou mít zásadní vliv na zajištění potravin v příštím půlstoletí, kdy poptávka poroste nejrychleji. K účinnému posouzení možností zlepšení plodin je zapotřebí kombinace molekulárních, biochemických a fyziologických informací.

Závěrem: produkce plodin je zcela závislá na dodávání N ve vhodném množství a ve správnou dobu růstu. Je to důsledek metabolických dějů založených na proteinech, přičemž světelná energie se využívá při redukci CO2 a

a syntéze asimilátů, které se využívají při vegetativním a reprodukčním růstu a tvorbě výnosu. Vztahy mezi mnoha procesy vedoucími k výnosu jsou však složité a přestože jsou geneticky podmíněné, podléhají značnému vlivu prostředí, zejména dodávky N. Pochopení mechanismů určujících produkci, výnos a účinnost plodin je pokročilé, ale v zemědělství nedostatečně využívané, ačkoli existují způsoby, jak tyto informace využít. Změny plodin potřebné ke zvýšení biomasy jsou při nízké nabídce N: (a) zvýšení celkové akumulace N zvýšením objemu využívané půdy, hustoty zakořenění a afinity povrchu kořenů k

. Tím se zachová stávající poměr C/N plodiny; b) zvýší se asimilace C na jednotku N, což zvýší biomasu a poměr C/N. Při nízkém příjmu N a LAI menším než 3 by světelná energie nebyla limitující v případě (a) ani (b); lze použít oba přístupy. Při dostatečném přívodu a příjmu N jsou možnosti následující: (c) zvýšit asimilaci C na jednotku N, a tím zvýšit biomasu a poměr C/N, nebo (d) zvýšit N akumulovaný v aktivních složkách, ale zachovat stejnou asimilaci C, a tím zvýšit biomasu a zachovat poměr C/N. Obě varianty předpokládají, že bude k dispozici dostatek energie, což je při velkém LAI nepravděpodobné, a že CO2 nebude limitující. V současné době je a rychlost zvyšování atmosférického CO2 pravděpodobně nebude rychlá nebo dostatečně velká, aby se produkce zvýšila na genetický potenciál získaný při zvýšeném CO2. Proto bude nutné zvýšit genetický potenciál pro růst a výnos plodin, když nabídka N uspokojí poptávku, ale způsoby, jak toho dosáhnout, jsou nejasné. Zvýšit účinnost fotosyntézy na jednotku N nebo světla není triviální úkol. Změny probíhající v základním metabolismu během zlepšení dosažených šlechtěním rostlin nejsou známy a nemohou ukázat, jaká omezení byla překonána, aby se zlepšil genetický výnosový potenciál. Z velké části se týkaly zvýšení schopnosti růstu zrna při současném snížení vegetativního růstu a zachování schopnosti metabolismu C a N zásobovat zrno a prodloužení vegetačního období. Zlepšení základního C- a N-metabolismu není doloženo. Analýza metabolických a fyziologických aspektů reakcí rostlin na

dodávku a teplotu ukazuje interakci mnoha procesů určujících reakci rostlin na N. Tyto informace jsou důležité pro vedení vývoje metod pro zlepšení aplikace N u plodin, ve šlechtění a pro posouzení potenciálu genetických manipulací pro zlepšení účinnosti využití N a genetického výnosového potenciálu. Zásadní je pochopení interakcí mezi genotypem a prostředím. Analýza naznačuje, že zvýšení příjmu N bude vyžadovat změny v kořenových systémech a v afinitě

transportérů. Zvýšená účinnost využití N ve fotosyntéze by vyžadovala podstatné změny ve fotosyntetickém metabolismu. Zlepšení genetického výnosového potenciálu bude velkým a dlouhodobým úkolem, kterého pravděpodobně nebude možné dosáhnout současnou technologií genového inženýrství. Kombinace selekčního šlechtění a molekulárních metod může poskytnout způsoby, jak zlepšit účinnost využití N a genetický potenciál.

Poděkování

Můj dík patří redakci zvláštního vydání za pozvání a shovívavost při tvorbě rukopisu. Zvláštní poděkování si zaslouží také všichni moji nejmenovaní, ale nezapomenutí kolegové, kteří se na této práci podíleli po mnoho let.

Autorské poznámky

.