Kulstof- og kvælstofassimilation i forhold til udbytte: mekanismer er nøglen til forståelse af produktionssystemer

Abstract

Den forbedrede forståelse af afgrødeproduktionssystemer i forhold til N-tilførsel er kommet fra viden om grundlæggende plantebiokemi og -fysiologi. Genekspression fører til proteinsyntese og dannelse af metaboliske systemer; den efterfølgende metabolisme bestemmer kapaciteten til vækst, udvikling og udbytteproduktion. Dette udgør det genetiske potentiale. Disse processer fastsætter kravene til ressourceforsyningen. Samspillet mellem kuldioxid (CO2) og nitrat (

) assimilering og deres dynamik er af afgørende betydning for afgrødeproduktionen. Især er en tilstrækkelig forsyning af

, dets assimilering til aminosyrer (hvortil der kræves fotosyntetiserede kulstofforbindelser) og deres tilgængelighed til proteinsyntese afgørende for stofskiftet. En tilstrækkelig forsyning af

stimulerer bladvækst og fotosyntese, førstnævnte via cellevækst og celledeling, sidstnævnte via større indhold af komponenter i lysreaktionerne og komponenterne i CO2-assimilering og beslægtede processer. Hvis udbuddet af ressourcer overstiger den efterspørgsel, der er fastsat af det genetiske potentiale, er produktionen maksimal, men hvis den er mindre, er potentialet ikke nået; at tilpasse ressourcerne til potentialet er landbrugets mål. Sammenhængen mellem stofskifte og udbytte er imidlertid kun dårligt kvantificeret. Biokemiske egenskaber og simuleringsmodeller skal udnyttes bedre og kombineres bedre for at forbedre anvendelsen af gødnings-N-gødning, effektiviteten af N-anvendelsen og udbyttet. Det er muligt at øge N-optagelsen ved utilstrækkelig N-tilførsel ved at øge roddets volumen og tæthed, men det er mindre muligt at øge affiniteten. Det ville øge biomassen og N/C-forholdet. Med tilstrækkelig N og ved fuldt genetisk potentiale vil en større C-assimilation pr. N-enhed øge biomassen, men energien vil være begrænsende ved fuldt væksthøjde. Øget C-assimilation pr. N-enhed vil øge biomassen, men mindske N/C-forholdet ved både stor og lille N-tilførsel. Hvis produktionen af alle biokemiske komponenter øges, vil biomassen og efterspørgslen efter N stige, og N/C-forholdet vil blive opretholdt. Ændring af C- eller N-assimilering kræver ændringer af mange processer for at opnå forbedringer i hele systemet; genteknologiske/molekylærbiologiske ændringer af enkelte trin i det centrale stofskifte vil sandsynligvis ikke kunne opnå dette, fordi målene er uklare, og også på grund af de komplekse interaktioner mellem processer og miljø. For at nå de langsigtede mål om at forbedre afgrødernes N-anvendelse og udbytte med færre input og mindre forurening ved hjælp af agronomi, forædling eller genteknologi er det nødvendigt at opnå en bedre forståelse af hele systemet, fra gener via stofskiftet til udbyttet.

Indledning: den begrebsmæssige ramme

I løbet af den autokatalytiske vækst- og reproduktionscyklus hos højere planter vokser embryoet i frøet under passende betingelser til en plante med blade og rødder. Bladene indeholder det komplekse biokemiske fotosyntesemaskineri, der er i stand til at fange lys og bruge energien til reduktiv assimilation af kuldioxid (CO2) og nitrationer (

) med dannelse af henholdsvis kulhydrater og aminosyrer (Foyer et al., 2001; Lawlor, 1994). Rødder opfanger vand og mineralske næringsstoffer, som er nødvendige for stofskiftet; her er fokus på tilførslen af kvælstof. For enkelhedens skyld diskuteres kun tilførslen og metabolismen af nitrat: der tages ikke hensyn til den rolle, som ammoniak spiller som NH3 eller som

(Macduff et al., 1987; Ter Steege et al., 2001), N2-fiksering fra plante-rhizobium-sammenslutninger og optagelsen af organisk-N. De producerede C- og N-assimilater eksporteres til plantens vækstområder, hvor de optages i nye vegetative celler og væv og giver anledning til reproduktionsorganer og frø, hvorved vækstcyklussen fuldendes (Ourry et al., 2001).

Planten fungerer som et komplet system med en balance mellem skud og rod i indfangning af ressourcer og udveksling af assimilater på lang sigt, men en kvantitativ forståelse af disse processer og hvordan de reguleres er begrænset. Figur 1 opsummerer interaktionerne. Processerne og strømmene af N- og C-assimilater er afhængige af tilførslen af ressourcer fra og forholdene i miljøet. Diskussionen om den grundlæggende metabolismes rolle er ofte adskilt fra diskussionen om bestemmelsen af afgrødeudbyttet på grund af udøvernes fokus og behovet for at behandle specifikke punkter i systemet til forskningsformål. Da udbyttet imidlertid er en konsekvens af biokemien, er de to tæt forbundet (Lawlor et al., 2001). Set ud fra landbrugsproduktionens synspunkt er udbyttet det vigtigste aspekt, for verdens årlige produktion på ca. 1,6 mia. tons korn af hvede, majs og ris leverer størstedelen af energien og næringsstofferne til menneskeføde. Hovedformålet er at opnå store udbytter af produkter af høj kvalitet med et minimum af ressourcer, især N-gødning.

Denne gennemgang forsøger at samle forskellige aspekter af plantemetabolisme og -fysiologi og N’s rolle i de processer, der fører til udbytteproduktion. Der lægges vægt på betydningen af en mekanistisk forståelse af alle dele af systemet og især på integrationen af viden, hvis de overordnede mål om større afgrødeproduktion med minimal anvendelse af N uden miljøforurening skal nås. Det hævdes, at unødigt fokus på bestemte dele af systemet fører til en dårlig vurdering af de potentielt begrænsende processer og til negligering af vigtige processer.

N-gødning og forbedring af landbruget

Behovet for en bedre forståelse af de grundlæggende mekanismer, der knytter N til planteproduktionen, og for forbedringer i udnyttelsen af N fremgår af den nuværende situation i verdens landbrug og dets afhængighed af industrielt fremstillede N-gødning (Bacon, 1995). Landbruget udnytter nu en stor del af den mest frugtbare jord på jorden, bruger en stor del af det tilgængelige vand og kræver betydelige tilførsler af gødningsstoffer. Nogle af disse (f.eks. fosfater) udvindes ved minedrift, men uorganisk N stammer fra den industrielle omdannelse af N2 til NH3 til urea, nitrater osv. Den industrielle N-fiksering ligger tæt på den naturlige fiksering af N2 i biosfæren. Der er behov for en større fødevareproduktion uden udvidelse af landbrugsarealerne (begrænset af andre faktorer som f.eks. vandforsyning) og med mindre gødning, hvis fremstilling kræver store mængder energi fra fossile brændstoffer. Den reducerede brug af mindre N-gødning vil mindske omkostningerne og forureningen, som er en konsekvens af syntesemetoderne og af den ineffektive anvendelse til og optagelse i afgrøderne; det haster med at nå disse mål (Ter Steege et al., 2001). Den reducerede anvendelse af gødning er imidlertid i konflikt med behovet for et større udbytte af afgrøderne. Udbyttet af de vigtigste basisfødevarer, f.eks. hvede, er ikke steget i de sidste ti år (Evans, 1998). Med den stigende efterspørgsel efter fødevarer fra en hurtigt voksende befolkning må risikoen for fødevaremangel på verdensplan således øges. For at overvinde de potentielt farlige sociale problemer med fødevaremangel og miljøforringelse og -forurening må landbrugsudbyttet pr. arealenhed øges samtidig med, at afhængigheden af gødningstilførsel mindskes (Evans, 1998). En stor del af det globale landbrug anvender N-gødning meget ineffektivt (selv i udviklede økonomier), ofte fordi andre miljøforhold er begrænsende, så en forbedring af afgrødemiljøet og af teknologien til N-tilførsel samt anvendelse af den nuværende bedste praksis vil kunne reducere tab og øge produktionen (Bacon, 1995). Den nuværende viden om, hvordan planter omsætter N og om N’s adfærd i miljøet, er sandsynligvis tilstrækkelig til dette, selv om det er nødvendigt at forbedre forståelsen af systemet som helhed (se senere diskussion af modellering). Det ville være ønskeligt at forbedre det genetiske potentiale for udbytte, som ikke er blevet forbedret gennem årtiers selektionsforædling, for at opnå en bedre samlet produktion med mindre N og andre ressourcer (se diskussionerne vedrørende øget risproduktion i Sheehy et al., 2000). Men selv hvis dette var muligt, ville det kræve en intensiveret selektionsavl. Hvad angår genetisk modifikation, er det sandsynligvis nødvendigt med langt større ekspertise og finansiel støtte og yderligere teknologisk udvikling, selv om der er visse tegn på succes (Ku et al., 2000), for den nuværende teknologi er relativt uprøvet (Matsuoka et al., 2000), og det tager sandsynligvis lang tid, før den kan anvendes effektivt. Sandsynligheden for succes er vanskelig at vurdere; dette gælder også for selektionsforædling i betragtning af den meget langsommere eller ikke-eksisterende stigningstakt i udbytte og udbyttepotentiale. Genetiske egenskaber kan ændres specifikt for at øge produktionen og dens effektivitet, men målene for ændringen skal være klart identificeret. Anvendelse af molekylære teknikker vil være en hjælp i denne forbindelse og i avlsprogrammer, idet de vigtigste gener og kvantitative egenskaber, der kontrollerer agronomiske egenskaber, vil blive identificeret og lokaliseret i omfattende genetiske kort (Snape, 1996). N’s rolle i afgrøder er imidlertid så grundlæggende, at disse metoder skal kombineres med en detaljeret forståelse af planternes biokemi og fysiologi.

Fotosyntetisk kulstof- og kvælstofassimilation og N-forsyning

N’s rolle i landbrugsproduktionen er tæt forbundet med fotosyntesen. I fotosyntesen omdannes fotonernes “fysiske energi” til “kemisk energi” i form af ATP og reducerede metaboliske mellemprodukter, primært NADPH, som anvendes i syntesen af kulstof- og kvælstofassimilater af mange forskellige typer, især kulhydrater og aminosyrer (Foyer et al., 2001). Disse “giver brændstof” til syntesen af biokemiske komponenter i organerne og udgør i sidste ende hele plantens struktur (Lawlor et al., 2001). De grundlæggende mekanismer for assimilatproduktion behandles, da de er centrale for forståelsen af planteproduktion.

CO2-assimilation

CO2-assimilation i forhold til bladsammensætning og N-tilførsel er blevet grundigt gennemgået (Evans, 1983; Sage et al., 1987; Lawlor et al., 2001) og kan sammenfattes således: N bestemmer syntesen af aminosyrer og dermed af proteiner (se senere) og i sidste ende af alle cellekomponenter. En hurtig CO2-assimilation kræver tilsvarende store mængder af mange komponenter i kloroplasterne, især de lyshøstende klorofylproteinkomplekser (LHCP), elektrontransport og NADP+-reducerende komponenter i thylakoiderne og det CO2-assimilerende enzym ribulosebisfosfatcarboxylase-oxygenase (Rubisco) samt andre enzymer, der er nødvendige for CO2-assimilering i stromaet. Proteinernes grundlæggende egenskaber (molekylmasse, struktur) er genetisk bestemt. Mange enzymer reguleres imidlertid på meget komplekse måder af miljø- og plantefaktorer (f.eks. lys og proteinfosforylering). Både mængden og aktiviteten af proteiner og andre komponenter i organerne og organernes størrelse er afgørende for stofskiftets samlede kapacitet. For at opnå store CO2-assimileringshastigheder pr. bladareal er det nødvendigt med et stort antal molekyler af komponenter. Nogle proteiner har en høj molekylmasse i forhold til deres aktivitet, således at der findes betydelige mængder protein i bladene (stor masse pr. enhed bladareal). For at fange den energi, der anvendes i fotosyntesen, effektivt er der f.eks. behov for en stor mængde klorofyl pr. arealenhed, som “understøttes” af proteiner (light harvesting chlorophyll-protein komplekser, LHCP, i thylakoiderne), så thylakoiderne indeholder meget N. Det vigtigste protein i kloroplasten og bladet (især hos C3-planter; Evans, 1983; Sage et al.., 1987) er Rubisco, som katalyserer reaktionen mellem CO2 og RuBP, hvorved der dannes triosephosphat; dette eksporteres fra chloroplaststromaet til cytosolen og omdannes derefter til saccharose. Rubisco har en lav katalytisk hastighed pr. proteinmasse, så de hastigheder for CO2-assimilation, der almindeligvis bestemmes i C3-blade, kræver en stor mængde Rubisco. Mængden af Rubisco kan nå op på 8 g m-2 og udgør op til 30 % af N i hvedeblade og op til 50 % af det opløselige protein (Lawlor et al., 1989). Aktivt metaboliserende blade indeholder tilsvarende store N-indhold. Hvis N-tilførslen under bladvæksten er lavere end den mængde, der er nødvendig for at opretholde den potentielle proteinsyntesehastighed osv., er mængden af dannede komponenter utilstrækkelig til maksimal CO2-assimilation (Lawlor et al., 1988, 1989). Situationen er naturligvis mere kompleks end skitseret, idet CO2-assimilering ikke afhænger af mængden af komponenterne, men af deres aktivitet, som afhænger af andre faktorer. Hvis Rubisco-indholdet f.eks. reduceres, stiger aktiviteten, hvilket har en tendens til at kompensere for ændringen. Ved lav temperatur kræves der mere Rubisco (og andre proteiner og komponenter) for at opretholde en given CO2-assimileringshastighed, da den metaboliske aktivitet falder som følge af de langsommere enzymreaktioner (Lawlor et al., 1987b). Der er således en betydelig fleksibilitet i udviklingen af det fotosyntetiske system og i stofskiftet samt et komplekst samspil med miljøet.

Stikstofmangel har stor indflydelse på chloroplaster, både i størrelse, sammensætning og funktion. Sammenlignet med dem fra planter, der er dyrket med rigeligt N, er de mindre og fladere, med færre thylakoidmembraner, der er dårligt stablet, og en mindre andel af granal til intergranal thylakoider, og andelen af stroma stiger, f.eks. i ris (Laza et al., 1993) og sukkerroer (Kutik et al., 1995). Der er mindre LHCP, Rubisco og ATP-syntase (Theobald et al., 1998). Evans og Terashima viste imidlertid, at sammensætningen af thylakoiderne er relativt upåvirket af N-tilførslen, idet thylakoidkomponenter, elektrontransportaktiviteter og O2-udviklingshastigheder ved CO2-mætning udtrykt på klorofylbasis er meget ens i spinat dyrket med meget forskellig N-tilførsel (Evans og Terashima, 1987). Derimod var indholdet af Rubisco og opløseligt protein pr. enhed klorofyl større ved stort N-indhold, hvilket viser, at ved lavt N-indhold var kapaciteten til CO2-assimilation mindre end til elektrontransport. I hvede er forholdet mellem Rubisco og klorofyl relativt konstant over en række N-behandlinger, selv om det stiger ved stort N-indhold (Evans, 1983; Lawlor et al., 1989). Andre forfattere har vist, at masseforholdet mellem Rubisco og det samlede klorofyl steg i takt med at N-tilførslen steg mere end forholdet mellem ATP-syntase og klorofyl (Nakano et al., 1997; Theobald et al., 1998). Klorofyl a/b-forholdet er stort set upåvirket af N-tilførsel på trods af det store fald i klorofyl, hvilket tyder på, at N-tilførsel ikke differentielt regulerer ekspressionen af LHCP (som indeholder klorofyl b) i forhold til de andre komponenter i lyshøst- og reaktionscenterkomplekserne. En generalisering er, at N-tilførsel differentielt ændrer ekspressionen af den genetiske information, der kontrollerer chloroplastsammensætningen, især ekspressionen af Rubisco og ATP-syntase, men ikke ekspressionen af thylakoidmembranens komponenter (fig. 2). Mulighederne for at ændre de fotosyntetiske mekanismer for at øge CO2-assimilationen overvejes aktivt (Paul og Lawlor, 2000). Nogle stigninger er blevet opnået ved at ændre sammensætningen af bladene, uventet ved at ændre trehalosemetabolismen, sandsynligvis gennem regulering af udviklingen (Paul et al., 2001). I betragtning af den fleksibilitet i bladenes sammensætning og funktion som reaktion på miljøforhold som f.eks. lys, er det måske muligt at foretage ændringer for at forbedre N-anvendelsen. Men hvis disse indebærer en forøgelse af antallet, men ikke egenskaberne af enzymer osv., vil proteinmassen stige, og det samme vil N-indholdet og efterspørgslen efter N. En forøgelse af indholdet af Rubisco øger ikke nødvendigvis CO2-assimilationen pr. arealenhed i C3-blade, selv i stærkt lys, på grund af andre begrænsninger (f.eks. CO2-tilførsel) (Lawlor et al, 1987,a, b; Millard, 1988; Millard og Catt, 1988), så en forøgelse af mængden af komponenter er ikke altid effektiv.

Forsyningen af CO2 til C3-fotosyntese er utilstrækkelig i den nuværende atmosfære (360 μmol mol-1), og fotosyntetiske hastigheder og afgrødevækst og udbytte øges med ca. 30 % under britiske forhold, hvis dette fordobles. Ved denne enkle miljøændring opnås således det genetiske potentiale (se senere). Hvis effektiviteten af CO2-assimilering kunne øges i C3-planter ved at eliminere fotorespiration, ville produktiviteten pr. akkumuleret N-enhed stige. I den nuværende CO2-atmosfære er det ofte blevet bemærket, at der er et stort indhold af Rubisco med lav katalytisk aktivitet i blade, der er dyrket med rigeligt N, og det har ført til tanken om at reducere mængden af Rubisco eller ændre dets egenskaber (reducere mængden af protein pr. aktivt sted, øge aktiveringstilstanden osv. Der er imidlertid ingen beviser for, at dette er muligt (og der er beviser for, at sådanne ændringer hæmmer fotosyntesen betydeligt). På grund af den store mængde og lave aktivitet af Rubisco i bladene, især ved rigelig N-tilførsel, er det blevet betragtet som et lagringsprotein: det remobiliseres fra ældre blade og bidrager med en stor del af proteinet i voksende blade, når N er begrænsende, og til syntese af lagringsprotein, f.eks. i kornkorn og kartoffelknolde (Lawlor et al., 1987,a, 1989; Millard, 1988; Millard og Catt, 1988), hvilket understøtter en lagringsfunktion. Det er blevet hævdet, at syntese af protein er en ineffektiv anvendelse af energi, men i betragtning af behovet for et stort Rubisco-indhold i C3-planter til CO2-assimilation, især ved højt lys, og de ioniske og osmotiske virkninger af lagring af

, og aminosyrer, kan der være fordele ved syntese af Rubisco som et forbigående lager af rigeligt N (Heilmeier og Monson, 1994). Sådanne overvejelser bør ikke negligeres, når det foreslås, at Rubisco-indholdet bør nedsættes for at forbedre N-anvendelseffektiviteten, f.eks. under forhøjet CO2 (Mitchell et al., 2000). Kompleksiteten af Rubiscos rolle og dens tætte integration i hvedes N-økonomi fremgår af den variable balance mellem opretholdelsen af CO2-assimileringskapaciteten i gamle blade og re-mobiliseringen af Rubisco under senescens og kornfyldning. Ændringer i denne balance har store virkninger på udbytte og kornsammensætning. N-mangel påvirker især disse processer, idet den samlede assimilation mindskes, da bladene har kortere levetid, visner og mister fotosyntesekompetence hurtigere, end når der er rigeligt med N, på grund af remobilisering af N til vækstorganer (Brouqisse et al., 2001); forbedring af den effektive levetid for bladene ved tilførsel af N (Lawlor et al., 1989) eller forædling (Sheehy et al., 2000) er en dokumenteret metode til at øge udbyttet. Selv om sådanne interaktioner er velbeskrevet, er der behov for en bedre kvantificering af forholdet mellem N-tilførsel på fotosyntetiske og beslægtede systemer og for at optimere N-tilførsel, Rubisco-mængder og fotosynteserate.

Der er betydelige forskelle mellem C3- og C4-planter med hensyn til indholdet af fotosyntetiske komponenter i bladene, hvilket ofte er blevet diskuteret (Sage et al., 1987; Evans og von Caemmerer, 2000; Lawlor et al., 2001). Fordi C4-fotosyntesen giver en høj CO2-koncentration, hvor Rubisco fungerer, kræves der mindre Rubisco til C4- end C3 CO2-assimilation på trods af de større CO2-assimilationshastigheder i C4-planter, selv ved stor fotonflux. Derfor er N-indholdet pr. enhed blad mindre end i C3-planter, og N-behovet er mindre for en større produktion, så N-anvendelsen bliver mere effektiv. At ændre C3-planter i retning af denne lykkelige tilstand er en langvarig ambition inden for plantebiokemien, men det kræver produktion af en Rubisco med mindre eller ingen oxygenasekapacitet, hvilket minimerer eller eliminerer fotorespirationen (årsagen til C3-planternes relative ineffektivitet). Som nævnt ovenfor er muligheden for at manipulere Rubisco til at eliminere fotorespiration meget lille. Det er derfor blevet foreslået at ændre C3-planters strukturelle og metaboliske egenskaber for at opnå det høje CO2-miljø for Rubisco, som forekommer i C4-planter (Sheehy et al., 2000). Det vil være vanskeligt at efterligne C4-syndromets kompleksitet i C3-planter på grund af dets betydelige enzymatiske og anatomiske kompleksitet. Det er usandsynligt, at der vil blive gjort hurtige fremskridt ved at ændre C3- til C4-biokemi og -anatomi, på trods af tilsyneladende forbedringer i C3-fotosyntesen hos ris som følge af inkorporering af enzymer, der sandsynligvis vil øge CO2-koncentrationen i nærheden af Rubisco (Matsuoka et al., 2000) og en vis succes med at øge CO2-assimilationen (Ku et al, 2000), synes dette ønskværdige mål stadig at ligge meget fjernt (Evans og von Caemmerer, 2000).

Nitratoptagelse og assimilation

Optagelse af

af rødder afhænger (Engels og Marschner, 1995) af koncentrationen af

i jordopløsningen, af det jordvolumen, der udnyttes af rødderne, og af roddeltætheden samt af røddernes effektivitet i optagelsen af

. Sidstnævnte påvirkes af metabolisk efterspørgsel og forhold som f.eks. temperatur (Macduff et al., 1987, 1993). Strømmen af

til rodoverfladen afhænger af omfanget af kontakt med jord og vand, af diffusionshastigheden fra bulkjorden i vand og, særligt vigtigt for

, af transport i massestrømmen af vand. Dette er relateret til afgrødernes transpiration og jordens vandindhold. Rodstørrelsen er en funktion af væksten og dermed af N-tilførslen, hvilket er et eksempel på de stærke feed-forward-effekter i planteproduktionen. For at en afgrøde kan opnå en stor samlet N-optagelse fra en lav

koncentration, kræves der

transportører med høj affinitet, sammen med flere transportører pr. enhed rodoverflade og større rodlængde og overfladeareal pr. jordvolumen for at minimere diffusionsbegrænsningen. Lagringskapaciteten for

i cellerne bør være stor, især hvor stofskiftet er begrænset, f.eks. ved lave temperaturer, hvor fotosyntesen er langsom. Hele plantens intrinsiske N-udnyttelseseffektivitet (biomasseproduktion pr. akkumuleret N-enhed) er bestemt af de integrerede biokemiske processer i planten. Den enkelte kurve, der relaterer produktion til N over et bredt spektrum af N-optagelse og miljøforhold, viser (fig. 3), at processernes effektivitet er genetisk bestemt. Kapaciteten til biomasseproduktion og N-optagelse kan imidlertid være meget afhængig af miljøforholdene, herunder

tilførsel. Øget totalproduktion kræver tilstrækkelig N til at nå asymptoten, men størst produktion med mindst N kræver optimering, hvilket sker ved mindre end maksimal produktion (Lawlor et al., 2001).

For at forbedre N-optagelsen fra lave

koncentrationer i jorden kræves udnyttelse af et større samlet jordvolumen og større rodlængde og overfladeareal pr. jordvolumen for at minimere diffusionsmodstanden, som kan være en væsentlig begrænsning. Desuden vil flere transportører pr. enhed af rodoverflade øge rodens transportegenskaber. En forøgelse af transportsystemets affinitet for

ville være et stort fremskridt; dette er dog allerede stort, da

kan fjernes fra mikromolær koncentration i godt omrørte opløsninger (Engels og Marschner, 1995) og kan være meget vanskeligt at opnå.

Metabolismen af nitrat, som kan finde sted i blade og rødder afhængigt af plantearten, er godt undersøgt (se artikler i Lea og Morot-Gaudry, 2001). Hvis man kun fokuserer på bladceller,

reduceres til NH3 af nitrat- og nitritreduktaser ved hjælp af elektroner fra fotosyntetisk elektrontransport. NH3 omdannes til aminosyrer af GS/GOGAT-enzymreaktionen, og “kulstofskeletterne” leveres af organiske syrer, der stammer fra tricarboxylsyrecyklussen i mitokondrierne. Kulhydrater til syntese af organiske syrer kommer i sidste ende fra fotosyntetisk CO2-assimilation, og ATP til GS/GOGAT-reaktionen genereres af fotosyntese og respiration. Der er således et tæt samspil i de allertidligste faser af N- og C-metabolismen, der begge bruger lysenergi, idet ca. 10 % af elektronstrømmen i fotosyntetiserende blade anvendes i

reduktion (Foyer et al., 2001). Forholdet mellem kulstof og N-assimileret er imidlertid ikke fastlåst, for hvis tilførslen af

stiger i forhold til CO2, så akkumuleres der flere aminosyrer og proteiner i forhold til CO2-assimileringshastigheden og til kulhydratindholdet, som kan falde, når væksten stimuleres (Lawlor et al., 1987,a, b, c). Der er konkurrence mellem processerne: i blade reducerede begrænset

tilførsel indholdet af ribulosebisfosfat (RuBP), substratet for CO2-assimilation, men øgede ATP/ADP-forholdet, hvilket tyder på, at der kan være konkurrence om reduktant (Mächler et al., 1998). På grund af den større potentielle CO2-assimilation i blade dyrket med stor N-tilførsel kan omfanget af konkurrencen mellem CO2 og

assimilering være skjult. N/C-forholdet varierer alt efter tilgængeligheden af ressourcer, især N, men også CO2, idet det falder, når CO2-tilførslen stiger (Theobald et al., 1998), og er meget afhængig af temperaturen. Under kølige forhold er organvæksten f.eks. mere langsommelig end N-assimilering og -anvendelse, så N/C-forholdet stiger i forhold til varme forhold. Når der er rigeligt

til rådighed, bliver en stor del af N “lagret” (dvs. metabolisk inaktivt) som protein og i mindre omfang som aminosyrer og

i kort- eller langtidspooler, indtil deres kapacitet er mættet. Deres evne må være genetisk bestemt, selv om det ikke er helt klart, hvordan de reguleres (Heilmeier og Monson, 1994).

Vigtigheden af proteinsyntese og de genetiske og miljømæssige faktorer, der regulerer mængden og de relative proportioner af forskellige proteiner, er central for enhver diskussion af virkningerne af N på stofskifte og vækst. Hastigheden af proteinsyntesen, når alle andre faktorer ikke er begrænsende, afhænger af temperaturen. Den stopper ved meget lave temperaturer og stiger til et maksimum, efterhånden som temperaturen stiger, før den falder med yderligere stigning. Dette påvirker alle planteprocesser og ændrer efterspørgslen efter aminosyrer og dermed også efter nitrat. Eksperimentelle beviser viser, at når kravet til proteinsyntese falder, så ophobes aminosyrer, og efterspørgslen efter

falder, men ikke optagelsen af det, så

ophobes, reaktionen på

koncentrationen ændres således, og der er en markant interaktion mellem temperatur og nitrattilførsel og vækst (Lawlor et al., 1987,a, c, 1988; Miller et al., 2001). Ved utilstrækkelig N falder aminosyreindholdet i bladene, der syntetiseres mindre protein, og væksten mindskes generelt mere end fotosyntesen, så kulhydrater ophobes, og N/C-forholdet er lavt. I afgrøder er der kun få detaljer om disse processer og interaktioner, selv om de er afgørende for forståelsen af mekanismerne for deres vækst og for N-behovet.

Modificering af kvælstofmetabolismen er potentielt mulig, da der er stor naturlig variation i processerne og især i kapaciteten (Limami og de Vienne, 2001). En forøgelse af nitratreduktaseaktiviteten pr. bladareal er potentielt en vej til at øge den samlede mængde nitratreduktion; den induceres af

og dens regulering er kompleks, hvilket giver mulighed for at ændre mængden og dermed nitratreduktionshastigheden. Med rigelig

er det klart (se tidligere diskussion) fra nitratakkumulationen (Lawlor et al., 1987a), at der er begrænsninger for reduktionshastigheden, afhængig af miljøforholdene, især temperaturen. Akkumulationen af aminosyrer viser også, at proteinsyntesen er begrænsende. Når man overvejer, hvordan stofskiftet i forbindelse med N kan ændres, er det klart, at der er meget komplekse interaktioner i hele stofskiftet og betydelige miljøpåvirkninger, som tilsammen er afgørende for plantens vækst og sammensætning.

Modificering af processerne i forbindelse med proteinsyntesen ville udgøre en væsentlig ændring af det grundlæggende stofskifte. For at øge mængden af et protein ville det være nødvendigt at øge kapaciteten til syntese, f.eks. ved at øge antallet af steder, for ved en given temperatur med rigeligt med aminosyrer ville den eksisterende kapacitet være begrænsende. Denne tilkobling af kapaciteten kan faktisk være situationen i planter med et stort proteinindhold og i svaret på rigeligt

. Sådanne begreber er dog næppe blevet undersøgt. For at øge mængden af

absorberet og anvendt ved subsaturerende og mættende forsyning vil det kræve forskellige tilgange og potentielt mange ændringer i metabolismen.

Bladvækst og sammensætning

Bladvæksthastighed og sammensætning påvirkes væsentligt af N under væksten og er veldokumenteret og forstået i form af ændringer i strukturen, selv om mekanismerne ikke er så godt forstået (Nelson og Dengler, 1997). De reagerer især på en stigende N-tilførsel, når denne er begrænsende (se afsnittet om N-respons kurver). Dette blev set i eksperimenter (Lawlor et al., 1987,a, b, c, 1988), hvor man undersøgte de relative virkninger og interaktioner mellem temperatur og N-tilførsel på hvedebladet. Ved kølige (13/10 °C dag/nat-temperatur) sammenlignet med varme (23/18 °C) vækstbetingelser og mangelfuld (4,5 mM) sammenlignet med rigelig (19,9 mM)

tilførsel mindskede lavt N bladvæksthastigheden, men mindskede ikke dens varighed, selv om det mindskede deres endelige størrelse (tabel 1). Bladene indeholdt færre celler af mindre volumen. Lavt N mindskede det opløselige (herunder Rubisco) proteinindhold og proteinsyntesen pr. blad, men øgede forholdet mellem strukturelt og ikke-strukturelt protein. Tilførslen af

er afgørende for bladvækst på grund af proteinernes rolle i væksten af cellevægge og cytoskelet og dermed i celleudvidelsen (Lawlor et al., 1988). Syntesen af strukturprotein synes at have forrang for andre komponenter, da ved meget lav N-tilgængelighed det resterende (uopløselige) protein-N-indhold stiger i forhold til det opløselige, hvilket tyder på, at en vis mængde (3 g m-2) protein er nødvendig for syntesen af grundlæggende cellestrukturer (Lawlor et al., 1989; Theobald et al., 1998), uden hvilken andre strukturer ikke kan dannes. Med rigelig N-tilførsel til stofskiftet minimeres og forsinkes bladenes senescens osv. og dermed forlænges deres effektive levetid (bladarealets varighed). Hvad der bestemmer den relative følsomhed af syntesen af cellulære komponenter over for

er uklart. Forholdet mellem f.eks. koncentrationen af

i bestemte cellekompartmenter (Miller et al., 2001) og aminosyrekoncentrationer, og hvordan disse er forbundet med hastighederne for Rubisco eller cellevæggens proteinsyntese, er ikke kendt. En sådan specificitet i responsen er vigtig, hvis mekanismerne skal forstås, fordi cellevækst hænger forskelligt sammen med Rubiscoakkumulering og fotosyntese, afhængigt af N-tilførsel, hvilket påvirker forholdet mellem cellestørrelse, assimilationshastigheder og vævssammensætning. Lavere temperaturer mindskede plantevæksthastigheden og det endelige areal, men øgede varigheden af bladudvidelsen. Imidlertid steg det opløselige og Rubisco-protein pr. enhed bladareal på trods af en nedsat proteinsyntesehastighed pr. blad. Fortolkningen er, at lavere temperatur bremsede proteinsyntesen mindre end den bremsede bladudvidelsen, så proteinindholdet steg sammenlignet med de varme forhold (Lawlor et al., 1988). Dette opretholdt den metaboliske hastighed på trods af den lavere temperatur. De komplekse ændringer i mængden af

, aminosyrer og kulhydrater med N-tilførsel og temperatur kan forklares ved, at de forskellige processer – proteinsyntese, organvækst og fotosynteserate – reagerer forskelligt på miljøforholdene. Mulige interaktioner er angivet i fig. 4. I sidste ende vil forklaringen af, hvordan afgrøder vokser, N’s indvirkning på processerne og interaktionerne med temperatur osv. kræve en langt bedre forståelse af, hvad der bestemmer bladvækst og -sammensætning. Hvis der skal foretages ændringer i bladets udvikling, senescens og sammensætning for at øge produktionen og effektiviteten af N-anvendelsen, vil det kræve ændringer i de systemer, der er ansvarlige for celleudvikling, -deling og -vækst. Den plasticitet i vækst og sammensætning, der opstår som reaktion på N-tilførsel og andre miljøforhold, tyder på, at der er potentiale for at ændre bladvækst osv., men ligesom med metaboliske processer er de begrænsende processer ikke klare, og direkte ændringer kan være meget vanskelige. Det vides ikke, hvordan der er sket ændringer i udviklingen af forskellige arter eller af økotyper, der er tilpasset forskellige forhold, og heller ikke i udvælgelsen af forskellige sorter.

Afgrødevækst, udbytte og N

Der er blevet skrevet meget om dette emne (Lawlor et al, 2001), og derfor behandles det kun meget kort her. Der er i det væsentlige et lineært forhold mellem det samlede tørstof, som en afgrøde producerer, og den stråling, som den opfanger (Monteith, 1977); dette skyldes, at lyset leverer energien til al stofskifte. Strålingsinterceptionen afhænger af bladarealindekset (LAI; forholdet mellem bladareal og jordareal) og dermed af bladstørrelsen og antallet af blade, der er betydeligt påvirket af jordbearbejdningen i korn og, som nævnt, asymptotisk afhængig af N-tilførslen. Forholdet mellem LAI og strålingsinterception er imidlertid ikke lineært: med et LAI på over ca. 3 nærmer PAR-interceptionen sig ca. 90 %, og en yderligere forøgelse af LAI øger ikke lysinterceptionen meget. Ud over virkningerne af N på bladarealet er der en stigning i fotosynteseraten ved stor N-tilførsel af de årsager, der er beskrevet. Som følge af disse to relaterede virkninger er der et stærkt asymptotisk forhold mellem biomasse og N-tilførsel (fig. 2, se diskussionen om N-respons kurver). Biomassen stiger lineært, når N-tilførslen øges fra små værdier (i dette område er der betydelige produktionsgevinster forbundet med små stigninger i N) og når et plateau ved stor tilførsel, når afgrøden vokser med den genetisk bestemte potentielle hastighed.

N-indholdet/enhed biomasse (N% i tørstof) anvendes ofte som en indikation af, hvor tilstrækkelig N-tilførsel er for afgrødens vækst (Lawlor et al., 2001). N% er imidlertid ikke en fast værdi og falder, efterhånden som afgrøden udvikler sig, og dens struktur og biokemiske sammensætning ændres. Blade med et stort indhold af proteiner osv. dannes i den tidlige vækst, og bærende stængler med mere cellulose og lignin og lidt protein dannes senere. N-indholdet (N%) falder således med alderen, og det afhænger også af miljøet. N-mangel reducerer N%, da forholdet mellem blade og stængler falder, og protein- og klorofylindholdet i bladene falder mere end kulhydratindholdet (se tidligere). Der er blevet gjort brug af ændringer i N% til at planlægge N-tilførslen til afgrøderne (Lawlor et al., 2001), og yderligere udvikling af sådanne teknikker vil utvivlsomt være af praktisk økonomisk værdi.

Udbytte er den del af en plante eller afgrøde, der anvendes til et bestemt formål, og afhænger derfor af afgrøden og menneskets behov. For korns vedkommende er korn det primære udbytte, og den samlede produktion afhænger af antallet af planter pr. areal, pærer pr. plante, antal aks pr. pærer, korn pr. aks og masse pr. korn. I den tidlige vækst er dannelsen af pærer og blade afgørende for den senere evne til at danne korn og assimilatproduktion til at fylde dem. For at opnå det genetiske udbyttepotentiale skal alle de faktorer, der påvirker væksten af de mange dele af systemet, som hver især reguleres på komplekse måder, optimeres i hele afgrødens levetid (Slafer et al., 1996).

Med tilstrækkelig

og CO2-assimilation er tilførslen af assimilater til de udviklende meristemer tilstrækkelig til at opretholde deres vækst, så der produceres og overleves flere jordstængler pr. plante og areal, og det samme gælder for kornene. Korns kapacitet til at vokse øges også, sandsynligvis fordi der dannes flere celler med større enzymkapacitet. Hvis der er tilstrækkeligt med assimilater under kornfyldningen, fyldes flere kerner, og de bliver større. Disse faktorer resulterer tilsammen i et stort udbytte. Under normale feltforhold varierer den relative produktion af vegetative og reproduktive organer fra sted til sted og fra år til år som følge af forskelle i miljøet, især i N-tilførsel. Derfor er forholdet mellem kornudbytte og biomasse (høstindekset, HI) ikke konstant, men varierer med forholdene. Hvor miljøvariationerne er begrænsede, er HI relativt konstant, men hvis der er mindre assimilat til rådighed i den tidlige vækst, overlever færre jordstængler, hvilket resulterer i færre aks og færre kerner pr. aks og dermed mindre udbytte. Senere kan begrænset assimilation reducere kornfyldningen. N-tilførslen er af stor betydning, idet den påvirker tilgængeligheden af aminosyrer til syntese af protein under korndannelsen og senere som lagringsprotein (Heilmeier og Monson, 1994).

Det er måske for lidt anerkendt, at de forskellige processer, der bidrager til udbyttekomponenterne, er relativt uafhængige med forskellige faktorer, der påvirker dem, og at der er en betydelig feed-forward-effekt fra den tidlige vækst. Desuden er det tidspunkt, hvor miljøfaktorerne virker i forhold til plantens og dens individuelle organers udvikling, af stor betydning. Da der er mange faktorer involveret, og da de er dynamiske, er det ikke let at forudsige afgrødernes reaktioner, men alligevel er de af stor betydning i agronomisk henseende. Mange afgrøder er meget følsomme over for kvalitetsegenskaber, f.eks. kræves der et lavt proteinindhold af N i kornet i bryggeribyg, så sen N-tilførsel bør være minimal for at mindske proteinindholdet, men for at opnå udbyttepotentiale er der behov for tidlig N-tilførsel, hvilket fører til en konflikt, som kompliceres af N-tilgængeligheden fra jorden. Det er vigtigt at forstå mekanismerne i sådanne processer bedre for at kunne forudsige planternes behov for N. Ændringer i udbytte og kvalitet (herunder N-indhold) ved selektionsavl har været bemærkelsesværdige og vedvarende. De større udbytter skyldes ikke en øget biomasseproduktion i hvede, men i høj grad det øgede antal kerner og den størrelse, de kan fyldes med. Dette er sket på bekostning af den vegetative vækst, hvilket har øget HI (Evans, 1998). Det er tydeligt, at udbuddet af assimilater har holdt trit med det genetiske potentiale for kornproduktion. De underliggende ændringer i stofskiftet, der har ledsaget disse ændringer, er imidlertid ikke forstået, og de giver derfor kun lidt vejledning for ændringer rettet mod metaboliske processer.

Genisk potentiale

Genisk potentiale kan defineres som plantens samlede kapacitet til at danne biomasse eller udbytte, når miljømæssige begrænsninger fjernes (Richards, 1996); forædlere og agronomer henviser ofte til udbyttepotentialet, selv om den samlede produktion er mere relevant, når man overvejer, hvordan den potentielle vækst af afgrøder kan øges. Udbyttepotentialet er en funktion af den genetiske information, som specificerer proteinernes egenskaber og dermed bestemmer struktur, vækst og udvikling samt den størrelse, som systemet kan vokse til. Denne maksimale størrelse i løbet af vækstcyklussen kan kaldes det genetiske potentiale. Også de maksimale hastigheder for processer er genetisk bestemt. Det genetiske potentiale kan endnu ikke defineres kvantitativt ud fra grundlæggende principper, så der er behov for en operationel definition. Da planter (med hvede som et godt eksempel) ofte danner et stort antal meristemer, der er i stand til at vokse under gunstige betingelser, reagerer de i høj grad på tilgængeligheden af ressourcer, dvs. de er meget “plastiske”. Derfor er det genetiske potentiale defineret under bestemte betingelser (Richards, 1996). I landbruget er dette generelt pr. arealenhed af jordoverfladen sammen med den normale solindstråling, temperatur og atmosfærisk CO2 for stedet, som er relativt ensartede og vanskelige at ændre. Som tidligere nævnt øges biomassen og udbyttet betydeligt ved at øge den nuværende atmosfæriske CO2-værdi, hvilket viser, at udbyttepotentialet afhænger af forholdene og af, hvordan det defineres. Temperaturen er af særlig betydning, da den påvirker hastigheden af de biokemiske processer (se tidligere diskussion) og dermed bestemmer potentialet, idet det maksimale potentiale opstår ved en optimal temperatur eller inden for et optimalt temperaturinterval. De miljøfaktorer, som kan ændres i landbruget, f.eks. ernæring, vandforsyning, skadedyr og sygdomme, ændres imidlertid således, at produktionen ikke påvirkes, dvs. at de ikke begrænser det genetiske potentiale. På grund af de mange processer i landbruget, som påvirkes forskelligt af bestemte forhold, kan det være nødvendigt at optimere forholdene snarere end at maksimere dem. Derfor kan målingen af det genetiske potentiale variere med miljøet (interaktionen genotype×miljø eller G×E; Hollamby og Bayraktar, 1996).

Omkring halvdelen af den betydelige stigning i udbyttet i løbet af det sidste århundrede blev opnået ved forbedrede genetiske egenskaber ved afgrøderne, resten ved forbedret drift, især øget gødskning (Austin et al., 1993). Den “grønne revolution” var faktisk baseret på en forbedring af både det genetiske potentiale og på at tilvejebringe de rette betingelser, især næringsstoffer, i den rette mængde og på det rette tidspunkt (Evans, 1998). Planteforædling har ikke øget det genetiske potentiale for biomasseproduktion i en afgrøde som f.eks. hvede, da gamle og nye sorter producerer samme biomasse under de rette betingelser. Den har imidlertid øget kornudbyttepotentialet og dermed forholdet mellem kornmasse og den samlede overjordiske biomasse eller høstindekset. Kornkvalitetsegenskaber som f.eks. forholdet mellem protein og kulhydrat (f.eks. i byg til dyrefoder eller brygning) eller andelen af forskellige proteiner (f.eks. til brødfremstilling) er også blevet ændret: de påvirkes også af miljøet, f.eks. af N-tilførslen.

Forbedring af afgrødepotentialet kræver identifikation af specifikke dele af metabolismen, som skal ændres for at opnå bestemte resultater. Når N-tilførslen er af en sådan art, at det eksisterende udbyttepotentiale er nået, er den eneste måde at øge produktionen på at forbedre den effektivitet, hvormed N udnyttes i metabolismen. Metabolismen skal ændres enten for at opnå større C-assimilation pr. N-enhed eller for at øge kapaciteten til N-anvendelse. Førstnævnte vil øge biomassen, men sænke C/N-forholdet og ikke give mere protein. Sidstnævnte kan muligvis ikke opnås, fordi lys vil være en væsentlig begrænsning, da LAI med stor N allerede er så stor, at mere end 95 % af den tilgængelige stråling udnyttes (Sheehy et al., 2000). At overvinde denne begrænsning ville kræve de mest omfattende ændringer i det fotosyntetiske stofskifte og ville udgøre en formidabel udfordring (Evans og von Caemmerer, 2000). Når N er begrænsende, er det evnen til at øge N-optagelsen fra fortyndet opløsning eller til at øge det udnyttede jordvolumen, der er nødvendig, dvs. øget absorptionseffektivitet eller rodvækst. Effektiviteten af C-assimilering pr. enhed N i planten vil forblive den samme, men biomasseproduktionen vil stige, ligesom N/C-forholdet, som det er tilfældet med de nuværende afgrøder, der får rigeligt med N. En forøgelse af C-assimilering pr. enhed N vil potentielt øge biomassen (hvis der er lysenergi til rådighed), men mindske N/C-forholdet. Hvis N-tilførslen til roden varierer, så den ikke svarer til væksthastigheden på kort sigt, vil store N-lagre i planten være en måde at tilvejebringe tilstrækkelig N til at opfylde de biokemiske krav på (Macduff et al., 1993). En sådan fremgangsmåde kan være lettere at opnå end at ændre det grundlæggende stofskifte, fordi en forøgelse af kapaciteten til proteinlagring, et “slutprodukt”, ikke ville kræve omfattende regulering. For at være effektiv som et midlertidigt N-lager ville det imidlertid være nødvendigt med et remobiliseringsmaskineri med systemer til at opdage N-mangel og udløse proteinnedbrydning. Hvis tilførslen fra lageret og jorden falder til under behovet på lang sigt, vil væksten naturligvis blive begrænset. Her er det vigtigt at forstå de grundlæggende processer for kulstof- og kvælstofassimilation, og hvordan de hænger sammen med afgrødeudbyttet. Den kan være vejledende for agronomisk praksis, forædling og genteknologi.

N-respons kurver

For at bestemme forholdet mellem vækst og N-tilførsel med begrænsende N og det genetiske potentiale med ikke-begrænsende N dyrkes afgrøderne i et standardmiljø (eller i det mindste det samme) med lys, temperatur og CO2 – som måske ikke er optimalt for den største produktion – hvor alle andre forhold ikke er begrænsende bortset fra N-tilførslen (Angus, 1995). Derefter tilføres N-gødning til forskellige områder af afgrøden i forskellige mængder (fra nul til overskridelse af behovet). Afgrødens biomasse- eller udbyttevækst bestemmes derefter som en funktion af den tilførte N-mængde. Forholdet mellem afgrødevækst og den tilførte N-mængde er blevet fastlagt i utallige forsøg og er ofte blevet diskuteret (Ter Steege et al., 2001). Et generaliseret respons (fig. 2) viser, at med meget mangelfuld N er produktionen meget lille og stiger lineært med tilførslen af N, indtil til sidst asymptoten nås, dvs. at en yderligere forøgelse af N ikke øger produktionen, hvilket er det genetiske potentiale. Hvis væksten er relateret til det N, som afgrøden akkumulerer, er den oprindelige hældning, som er den sande eller iboende effektivitet af plantens N-anvendelse, stejlere (mere biomasse pr. N-enhed), end hvis den er relateret til den tilførte N. Forskellen er et mål for den effektivitet, hvormed N udnyttes, ligesom forskellen mellem det punkt, hvor plateauet for biomasseproduktion er nået, udtrykt pr. enhed absorberet N og tilført N, er et mål for den effektivitet, hvormed N udnyttes. Hældningen af kurven, der relaterer produktionen til den anvendte N, er effektiviteten af den anvendte N-anvendelse. Ved lav N-tilførsel er effektiviteten stor og falder, når N-tilførslen stiger i begge tilfælde. Forskellen mellem tilført og akkumuleret N giver værdifulde oplysninger om kilder og tab af N (Bacon, 1995; Ter Steege et al., 2001). N kan komme fra nedbør og jordreserver såvel som fra tilført gødning, hvilket i høj grad påvirker den tilsyneladende respons, der er afledt af tilført N. Tilsvarende påvirker tab af N som følge af udvaskning, bakteriemetabolisme og emissioner fra jord og planter osv. fortolkningen.

Anvendelse af N-respons kurver har givet mange kvantitative oplysninger om behovet for N, timing osv. Tidlige undersøgelser viste, at planters reaktioner på næringsstoffer, herunder N-tilførsel, i det væsentlige er asymptotiske, som det blev diskuteret i forbindelse med N-reaktionskurver. Blackmans “lov om begrænsende faktorer” sammenfattede konceptet. Mitscherlich udviklede f.eks. en ligning (Y=Ymax(1-e-cN), der relaterer udbyttet Y til den mængde kvælstof, der tilføres N, og til det maksimale udbytte Ymax, som er givet ved asymptoten af responskurven for Y over for N-tilførsel; c er en krumningsfaktor. Ymax (som er et mål for det genetiske potentiale) og c varierer fra sæson til sæson og også fra sted til sted og kan ikke let anvendes på forskellige forhold, men metoden gør det muligt at anslå N-behovet (se Angus, 1995, for en diskussion). For at opnå Ymax skal der tilføres den korrekte mængde N (Nmax), f.eks. hvis en afgrøde med 10 t ha-1 korn ved en Nmax på 2 % N (i alt 200 kg N) og 10 t ha-1 halm ved en Nmax på 0,5 % N (i alt 50 kg N) kræver 250 kg ha-1 for hele afgrøden. Dette svarer også til afgrødens behov for N og kan identificeres med det genetiske potentiale for N-optagelse og udbytteproduktion. Hvis forskellen mellem N i planten (Nmin) er mindre end Nmax, er N-behovet (efterspørgslen, D) givet ved D=(Nmax-Nmin)×afgrødemasse. Dette giver en simpel vurdering af N-behovet, men skal baseres på gennemsnitsværdier af gentagne målinger over længere tid.

Indikatorer for N-status og stofskifte i landbruget

I betragtning af behovet for at justere mængden og tidspunktet for N-tilførsel til afgrøderne for at øge produktionen og effektiviteten og mindske forureningen er det logisk at måle N i planten for at angive N-behovet (Neeteson, 1995). Måling af N i jorden er mindre direkte og afspejler måske ikke dynamikken i afgrødeprocesser og miljøets indvirkning på afgrøden. Måling af N skal være hurtig, let og effektiv samt billig. Da bladene indeholder en stor del af afgrødens N, måles normalt det samlede N eller komponenter, der er tæt forbundet med N-tilførslen, og som reagerer hurtigt på ændringer i N-tilførslen og dens forhold til efterspørgslen. Total N-analyse er langsom og kræver prøvetagning og forberedelse af væv samt specialiseret analyseudstyr, og derfor anvendes den generelt ikke til måling af N-dynamikken. Hurtige kolorimetriske test for

koncentration (som afhænger af udbud og efterspørgsel af

) i små prøver af udtrykt saft kan udføres i marken, er hurtige og billige og er blevet betragtet som en nyttig indikator for N-status, men de er ikke blevet anvendt i vid udstrækning som en vejledning for N-tilførsel (Neeteson, 1995). Klorofylindholdet, som er stærkt relateret til N-tilførsel, kan måles i marken med et fotometer som f.eks. Minolta SPAD-502 klorofylmåleren (Minolta Camera Company, Ramsey, NJ, USA), som er hurtig og repeterbar. SPAD-aflæsningerne kalibreres for at opnå klorofylindholdet i bladene eller korreleres direkte med planternes ydeevne (Peltonen et al., 1995), hvilket giver en praktisk metode til vurdering af N-status og N-behov, selv om den er mindre dynamisk end test for

indhold. Sådanne metoder, der er baseret på biokemisk og fysiologisk forståelse, bør fremmes.

Modellering af kvælstof i miljøet og i planter

Anvendelsen af N-respons kurver har været af stor værdi ved vurdering af afgrøders N-behov (Angus, 1995). Sådanne metoder er imidlertid generaliseringer, som ikke uden videre kan tage højde for forskellene mellem afgrøder på forskellige lokaliteter og i forskellige år som følge af varierende N-tilførsel og vejrforhold, der påvirker afgrødernes efterspørgsel, N-tab osv. Dynamiske metoder er nødvendige for at muliggøre hurtige reaktioner og for at “finjustere” udbuddet til efterspørgslen. Modeller af disse processer er veludviklede og anvendes i vid udstrækning til at anbefale anvendelse af N-gødning (f.eks. i beslutningsstøttesystemer), hvilket øger effektiviteten af N-anvendelsen og reducerer forureningen (Addiscott et al., 1995). Der er behov for forbedringer af modellerne, især med hensyn til afgrødeprocesser (f.eks. vækstrater, der kan måles eller modelleres på grundlag af temperatur) på kort sigt, for at vurdere N-behovet på specifikke tidspunkter eller i afgrødernes vækststadier. Der er gjort forholdsvis lidt brug af biokemiske oplysninger i simuleringsmodeller for at fremme forståelsen af mekanismerne og også for at forbedre tilførslen af N (tidspunkt og mængde).

De vigtigste begrænsninger for den type simuleringsmodellering, der anvendes, er: utilstrækkelig kvantitativ forståelse af de enkelte dele af mekanismerne (enzymernes egenskaber, mellemprodukternes poolstørrelse), ringe viden om forbindelsen mellem forskellige mekanismer (forbindelse mellem C- og N-assimilation, transport i planten) og vanskeligheder med at relatere kortsigtede målinger af den grundlæggende metabolisme til de samlede afgrøderesponser. Systemets kompleksitet udelukker udviklingen af egentlige “mekanistiske” simuleringsmodeller og rejser spørgsmålet om, hvor kompleks en model kan være for at være forståelig, stabil og testbar? Komplekse metaboliske modeller er værdifulde til at udforske og kvantificere mekanismer og angive, hvilke oplysninger der er nødvendige (Evans og von Caemmerer, 2000). Erfaringerne viser, at meget komplekse modeller er af begrænset værdi i praksis. Modellerne indeholder normalt empiriske sammenhænge, som, hvis de er velafprøvede, kan give en acceptabel nøjagtighed i anvendelsen. For at forbedre effektiviteten af N-anvendelsen er der behov for en større indsats for at udvikle og forbedre simuleringsmodeller baseret på empiriske relationer og med inddragelse af biokemiske oplysninger.

Fremtidige muligheder

Det er en sandhed, at de processer, der er involveret i planteproduktionen, er meget komplekse og flerlagede, lige fra det molekylære niveau til hele organismen, og at miljøfaktorer påvirker alle organisationsniveauer. De væsentlige pointer er, at når N-tilførslen er mindre end nødvendigt for at nå det genetiske potentiale, er det N-optagelsen, der skal øges for at få større biomasse. Dette kan gøres enten ved at øge det udnyttede jordvolumen og reducere diffusionens begrænsninger ved hjælp af en større roddeltæthed eller ved at øge rodens affinitet for N. Alle dele er sandsynligvis nødvendige. Alternativt kan C-assimilationen pr. enhed akkumuleret N øges, således at der opnås en større biomasse ved en mindre N-akkumulering. En forøgelse af det genetiske potentiale for biomasse kan i teorien opnås ved at øge C-assimilationen pr. enhed N-akkumuleret N på bekostning af en forøgelse af C/N-forholdet. Dette forudsætter, at der er tilstrækkelig lysenergi til rådighed, hvilket er usandsynligt, da næsten al energi absorberes nu med et fuldt baldakin. Hvis der blev assimileret mere N, men uden at ændre balancen med C-assimilering, ville dette teoretisk set øge biomassen og opretholde det nuværende C/N-forhold. Der vil dog sandsynligvis være tale om en lysbegrænsning. Alternativt kunne biomassen øges ved at forlænge den periode, hvor lyset absorberes (længere vækstsæson) og udnyttes effektivt (“stay green”-genotyper). Førstnævnte er en af hovedårsagerne til den større biomasse og det større udbytte i vinterhvede sammenlignet med vårhvede. Sidstnævnte udnyttes også.

Forståelse af, hvordan processer reagerer på N, er nøglen til at forbedre produktionen og effektiviteten af N-anvendelsen, og det er afgørende, hvis det genetiske potentiale skal øges (Sheehy et al., 2000). Hele plantens reaktion, som er det centrale element i landbrugssystemer, på miljøforhold kan kun forstås, hvis man forstår systemets organisation. Desuden skal de miljømæssige faktorer, der styrer N-tilførslen, vurderes. Det er imidlertid umuligt at analysere alle aspekter samlet under en række forskellige forhold i et enkelt forskningsprogram eller at kombinere dem med henblik på praktisk anvendelse, og derfor er der behov for modellering. Dette har ført til forskellige opfattelser af, hvordan man skal håndtere “problemet” med at forstå behovet for N, og hvordan man kan bruge N til at ændre og forbedre kvaliteten og kvantiteten af landbrugsprodukterne. I yderpunkterne findes den reduktionistiske og den agronomiske tilgang. Reduktionismen mener, at viden om genomets struktur vil give tilstrækkelige oplysninger til at gøre det muligt at ændre planternes egenskaber i udvalgte retninger for at forbedre responsen på N og for at øge produktiviteten, effektiviteten og udbyttepotentialet i landbrugssystemer. Et sådant synspunkt synes at være accepteret blandt molekylærbiologer og genteknikere (Matsuoka et al., 2000). I øjeblikket er der stor indsats og begejstring for at forstå planternes genomer, og håbet om at øge fødevareproduktionen er rettet mod genetisk modifikation for at øge det genetiske potentiale. I betragtning af planternes kompleksitet som delsystemer og den betydelige interaktion med miljøet. Jeg mener, at dette synspunkt er dårligt funderet og uholdbart, selv i sin mindre ekstreme form. Biokemiens rolle blev engang betragtet på samme måde (f.eks. regulering af afgrødeproduktionen ved hjælp af nitratreduktaseaktivitet), men i praksis resulterede det i relativt få specifikke ændringer og agronomiske forbedringer. Biokemiske idéer og oplysninger har været afgørende for forståelsen af plante-miljø-systemet. I dag er der tale om interaktive og dynamiske biokemiske systemer med mange feedback- og feed-back- og feed-forward-reguleringsprocesser, som giver stabilitet og fleksibilitet i stofskifte, vækst osv. Den agronomiske tilgang er hovedsagelig empirisk og baseret på eksperimentel bestemmelse af inputkrav til maksimal (eller optimal) produktion: denne gamle metode er vellykket, men begrænset i tid og rum og derfor specifik og kan derfor kun overføres i generelle vendinger. Det er ikke det, der kræves til finjustering af ressourcer og produktion i landbruget, og det har resulteret i, at det ikke er lykkedes at udnytte en mere mekanistisk biokemisk forståelse (måske i forbindelse med simuleringsmodellering) til at forbedre effektiviteten og reducere forurening osv.

Stigningen i udbyttepotentialet i de sidste 50 år er opstået som følge af empirisk selektionsavl med biokemisk og fysiologisk input, der har ført til en bedre forståelse af processer (f.eks. dem, der regulerer protein-kvaliteten i korn, sygdomsresistens osv. Selektionsavl rekombinerer i vid udstrækning genetisk information og selekterer for “slutprodukter” som f.eks. kornmængde og -kvalitet. Denne procedure resulterer i udvælgelse af biokemiske processer og deres kombinationer, som optimerer delsystemets aktiviteter, men behandler i bund og grund systemet som en “black box”. Selv om denne fremgangsmåde sandsynligvis fortsat vil give de fleste forbedringer af afgrødernes egenskaber i mange år, må man udnytte de muligheder, som molekylærbiologien giver for at ændre genomet og dermed de grundlæggende biokemiske processer. Det kræver imidlertid integration med forståelsen af de biokemiske processer og deres samspil med miljøet, hvis det skal lykkes (Snape, 1996). Genteknologi ændrer systemet på specifikke punkter, der er identificeret som nøgle- eller begrænsningstrin i metabolismen. Der findes imidlertid ikke et gen for N-udnyttelseseffektivitet eller for kornudbytte eller -kvalitet, men mange gener, der koder for proteiner, som bestemmer strukturer og adfærd i forskellige biokemiske og fysiologiske delsystemer. Det er derfor sandsynligt (og er nu ofte påvist), at ændringer i genomet ikke vil resultere i større ændringer i det grundlæggende stofskifte af den type, der diskuteres her (Paul og Lawlor, 2000). Desuden kan reaktionen på miljøforhold være kompleks og omfatte de nævnte G×C-interaktioner, hvilket kræver et skift i begrebet væk fra genomet til genomet i et miljø (Sheehy et al., 2000). Hvis dette ikke hurtigt bliver forstået, vil det nuværende tab af plantebiokemisk og fysiologisk ekspertise i mange lande til fordel for molekylærbiologi forvride vidensgrundlaget. Det vil i væsentlig grad svække de mere klassiske metoder til at løse det grundlæggende problem med at forbedre produktionen ved at bremse anvendelsen af den nuværende viden om gødningsteknologi. Det vil også hæmme yderligere forbedringer af de metoder, der sandsynligvis vil få større betydning for fødevareforsyningen i det næste halve århundrede, hvor efterspørgslen vil stige hurtigst. Kombinationen af molekylære, biokemiske og fysiologiske oplysninger er nødvendig for at kunne vurdere mulighederne for effektiv forbedring af afgrøderne.

Konklusion: Afgrødeproduktionen er helt afhængig af, at der tilføres N i passende mængder på det rigtige tidspunkt for væksten. Dette er konsekvensen af metaboliske begivenheder, der er baseret på proteiner, hvor lysenergi anvendes til reduktion af CO2 og

og til syntese af assimilater, der anvendes i vegetativ og reproduktiv vækst og til udbyttedannelse. Forholdet mellem de mange processer, der fører til udbytte, er imidlertid komplekst og er, selv om det er genetisk bestemt, underkastet betydelig indflydelse fra miljøet, især N-tilførsel. Forståelsen af de mekanismer, der er afgørende for afgrødeproduktion, udbytte og effektivitet, er avanceret, men udnyttes ikke tilstrækkeligt i landbruget, selv om der er måder at anvende oplysningerne på. De ændringer af afgrøderne, der er nødvendige for at øge biomassen, sker ved lav N-tilførsel: (a) øge den samlede N-akkumulering ved at øge den udnyttede jordmængde, roddeltætheden og rodoverfladens affinitet for

. Dette vil opretholde afgrødens nuværende C/N-forhold; b) øge C-assimilationen pr. enhed N, hvilket vil øge biomassen og C/N-forholdet. Ved lav N-optagelse og LAI på under 3 vil lysenergi ikke være begrænsende i (a) eller (b); begge fremgangsmåder kan anvendes. Ved rigelig N-tilførsel og -optagelse er mulighederne følgende: (c) at øge C-assimilationen pr. enhed N og dermed øge biomassen og C/N-forholdet eller (d) at øge den N-akkumulerede mængde N i aktive komponenter, men bevare den samme C-assimilation og dermed øge biomassen og bevare C/N-forholdet. Begge forudsætter, at der er tilstrækkelig energi til rådighed, hvilket er usandsynligt ved stor LAI, og at CO2 ikke vil være begrænsende. Det er det i øjeblikket, og det er usandsynligt, at stigningen i CO2 i atmosfæren vil være hurtig eller stor nok til at øge produktionen til det genetiske potentiale, der opnås ved forhøjet CO2. Det vil derfor være nødvendigt at øge det genetiske potentiale for vækst og udbytte af afgrøderne, når N-tilførslen opfylder efterspørgslen, men det er uklart, hvordan dette kan gøres. At øge den fotosyntetiske effektivitet pr. enhed N eller lys er ikke en triviel opgave. De ændringer, der sker i det grundlæggende stofskifte under de forbedringer, der opnås ved planteforædling, er ukendte og kan ikke vise, hvilke begrænsninger der er blevet overvundet for at forbedre det genetiske udbyttepotentiale. De har i vid udstrækning omfattet en forøgelse af kapaciteten til kornvækst, samtidig med at den vegetative vækst er blevet reduceret, og C- og N-metabolismens evne til at forsyne kornet er blevet opretholdt, og vækstsæsonen er blevet forlænget. Forbedringer i den grundlæggende C- og N-metabolisme er ikke dokumenteret. Analyser af de metaboliske og fysiologiske aspekter af planternes reaktion på

forsyning og temperatur viser samspillet mellem mange processer, der bestemmer planternes reaktion på N. Sådanne oplysninger er vigtige for udviklingen af metoder til at forbedre N-tilførslen til afgrøder, for avl og for vurderingen af potentialet for genetisk manipulation med henblik på at forbedre N-anvendelseffektiviteten og det genetiske udbyttepotentiale. Det er af afgørende betydning, at der tages hensyn til samspillet mellem genotype og miljø. Analysen tyder på, at en øget N-optagelse vil kræve ændringer i rodsystemer og i affiniteten af

transportører. Den øgede effektivitet af N-anvendelsen i fotosyntesen vil kræve væsentlige ændringer i det fotosyntetiske stofskifte. En forbedring af det genetiske udbyttepotentiale vil være en stor, langsigtet opgave, som sandsynligvis ikke vil kunne opnås med den nuværende genteknologiske teknologi. En kombination af selektionsforædling og molekylære metoder kan give mulighed for at forbedre N-anvendelseffektiviteten og det genetiske potentiale.

Anerkendelser

Min tak går til redaktørerne af specialudgaven for deres invitation og overbærenhed under udarbejdelsen af manuskriptet. Også alle mine kolleger, unavngivne, men ikke glemte, som gennem mange år har bidraget til dette arbejde, fortjener en særlig tak.