- Abstract
- Esittely: käsitteellinen kehys
- N-lannoitteet ja maatalouden parantaminen
- Fotosynteettinen hiilen ja typen assimilaatio ja N-tarjonta
- CO2-assimilaatio
- Nitraatin otto ja assimilaatio
- Lehden kasvu ja koostumus
- Viljan kasvu, sato ja N
- Geneettinen potentiaali
- N-vastekäyrät
- N-tilan ja aineenvaihdunnan indikaattorit maataloudessa
- Typen mallintaminen ympäristössä ja kasveissa
- Tulevaisuuden mahdollisuudet
- Kiitokset
- Tekijän huomautukset
Abstract
Kasvien tuotantojärjestelmien parempi ymmärtäminen suhteessa typen tarjontaan on saatu kasvien biokemian ja fysiologian perustietojen avulla. Geeniekspressio johtaa proteiinisynteesiin ja aineenvaihduntajärjestelmien muodostumiseen; siitä seuraava aineenvaihdunta määrittää kasvu-, kehitys- ja satotuotantokyvyn. Tämä muodostaa geneettisen potentiaalin. Nämä prosessit asettavat resurssien tarjontaa koskevat vaatimukset. Hiilidioksidin (CO2) ja nitraatin (
) assimilaation väliset vuorovaikutukset ja niiden dynamiikka ovat avainasemassa kasvintuotannon kannalta. Erityisesti
riittävä tarjonta, sen assimilaatio aminohapoiksi (joita varten tarvitaan fotosyntetisoituja hiiliyhdisteitä) ja niiden saatavuus proteiinisynteesiä varten ovat aineenvaihdunnan kannalta olennaisia. Riittävä
tarjonta stimuloi lehtien kasvua ja fotosynteesiä, ensin mainittua solujen kasvun ja jakautumisen kautta, jälkimmäistä valoreaktioiden komponenttien suurempien pitoisuuksien sekä hiilidioksidin assimilaation ja siihen liittyvien prosessien kautta. Jos resurssien tarjonta ylittää geneettisen potentiaalin asettaman kysynnän, tuotanto on maksimaalista, mutta jos se on vähäisempää, potentiaalia ei saavuteta; resurssien ja potentiaalin yhteensovittaminen on maatalouden tavoite. Metabolian ja sadon välinen yhteys on kuitenkin huonosti kvantifioitu. Biokemiallisia ominaisuuksia ja simulointimalleja on hyödynnettävä ja yhdistettävä paremmin, jotta voidaan parantaa N-lannoitteiden käyttöä, N:n käytön tehokkuutta ja satoja. N:n hyväksikäytön lisääminen riittämättömällä N-tarjonnalla lisäämällä juuriston tilavuutta ja tiheyttä on mahdollista, mutta affiniteetin lisääminen ei ole yhtä mahdollista. Se lisäisi biomassaa ja N/C-suhdetta. Riittävällä N-pitoisuudella ja täydellä geneettisellä potentiaalilla suurempi C-assimilaatio N-yksikköä kohti lisäisi biomassaa, mutta energia olisi rajoittava tekijä täydessä latvustossa. C-assimilaation lisääminen N-yksikköä kohti lisäisi biomassaa mutta vähentäisi N/C-arvoa sekä suurella että pienellä N-tarjonnalla. Kaikkien biokemiallisten komponenttien tuotannon lisääminen lisäisi biomassaa ja N:n kysyntää ja säilyttäisi N/C-suhteen. C- tai N-assimilaation muuttaminen edellyttää muutoksia moniin prosesseihin, jotta koko järjestelmää voitaisiin parantaa; geenitekniikan/molekyylibiologisten muutosten tekeminen keskeisen aineenvaihdunnan yksittäisiin vaiheisiin on epätodennäköistä, koska tavoitteet ovat epäselviä ja koska prosessien ja ympäristön väliset vuorovaikutukset ovat monimutkaisia. Pitkän aikavälin tavoitteiden saavuttaminen eli viljelykasvien N:n käytön ja sadon parantaminen vähemmillä tuotantopanoksilla ja vähemmällä saastumisella agronomian, jalostuksen tai geenitekniikan avulla edellyttää koko järjestelmän parempaa ymmärtämistä geeneistä aineenvaihdunnan kautta satoon.
Esittely: käsitteellinen kehys
Korkeampien kasvien autokatalyyttisen kasvu- ja lisääntymiskierron aikana siemenessä oleva alkio kasvaa sopivissa olosuhteissa kasviksi, jolla on lehdet ja juuret. Lehdet sisältävät monimutkaisen biokemiallisen fotosynteesikoneiston, joka kykenee vangitsemaan valoa ja käyttämään energiaa hiilidioksidin (CO2) ja nitraatti-ionien (
) reduktiiviseen assimilaatioon hiilihydraatteja ja aminohappoja muodostaen (Foyer ym., 2001; Lawlor, 1994). Juuret keräävät vettä ja kivennäisravinteita, joita tarvitaan aineenvaihdunnassa; tässä keskitytään typen saantiin. Yksinkertaisuuden vuoksi käsitellään vain nitraatin tarjontaa ja aineenvaihduntaa: ammoniakin roolia NH3:na tai
(Macduff ym., 1987; Ter Steege ym., 2001), N2-fiksaatiota kasvi-ritsobiumyhdyskuntien välityksellä ja orgaanisen N:n ottoa ei käsitellä. Tuotetut C- ja N-assimilaatit viedään kasvin kasvualueille, jossa ne sisällytetään uusiin kasvullisiin soluihin ja kudoksiin, jolloin syntyy lisääntymiselimiä ja siemeniä, jolloin kasvukierto saadaan päätökseen (Ourry et al., 2001).
Kasvi toimii täydellisenä järjestelmänä, jossa verson ja juuren välillä vallitsee tasapaino resurssien talteenotossa ja assimilaattien vaihdossa pitkällä aikavälillä, mutta kvantitatiivinen ymmärrys näistä prosesseista ja niiden säätelystä on rajallista. Kuvassa 1 esitetään yhteenveto vuorovaikutussuhteista. N- ja C-assimilaattien prosessit ja virtaukset ovat riippuvaisia ympäristöstä saatavista resursseista ja ympäristön olosuhteista. Keskustelu perusaineenvaihdunnan roolista erotetaan usein sadon määrittelystä, koska käytännön toimijat keskittyvät siihen ja koska tutkimustarkoituksessa on tarpeen käsitellä järjestelmän tiettyjä kohtia. Koska sato on kuitenkin seurausta biokemiasta, nämä kaksi liittyvät läheisesti toisiinsa (Lawlor et al., 2001). Maataloustuotannon kannalta sato on tärkein näkökohta, sillä maailman vuotuinen noin 1,6 miljardin vehnä-, maissi- ja riisiviljatonnin tuotanto tuottaa suurimman osan ihmisravinnoksi tarvittavasta energiasta ja ravinteista. Tärkein tavoite on tuottaa suuria satoja korkealaatuisia tuotteita mahdollisimman pienellä resurssien, erityisesti N-lannoitteiden, käytöllä.
Tässä katsauksessa yritetään koota yhteen kasvien aineenvaihdunnan ja fysiologian eri näkökohtia sekä N:n roolia sadon tuottamiseen johtavissa prosesseissa. Siinä korostetaan järjestelmän kaikkien osien mekanistisen ymmärtämisen ja erityisesti tietämyksen yhdistämisen merkitystä, jos halutaan saavuttaa yleistavoitteet, jotka koskevat suurempaa satotuotantoa mahdollisimman vähäisellä N:n käytöllä ilman ympäristön pilaantumista. Väitetään, että liiallinen keskittyminen järjestelmän tiettyihin osiin johtaa potentiaalisesti rajoittavien prosessien huonoon arviointiin ja tärkeiden prosessien laiminlyöntiin.
Skeemaattinen kaaviokuva kasvin eri prosessien ja osajärjestelmien välisistä vuorovaikutuksista, jotka johtavat kuiva-aineen tuotantoon ja satoon (mukaillen Lawlor 1994). Valo tuottaa energiaa ilmakehän hiilidioksidin fotosynteettiseen assimilaatioon lehdissä, jolloin syntyy hiiliassimilaatteja (hiiltä), joita käytetään nitraattireduktiossa (NR) lehdissä (ja myös juurissa).
saadaan maaperästä. Kasvin sisällä tuotetut hiiliassimilaatit ja aminohapot jakautuvat kasvuelimiin, joissa ne tarjoavat substraatin kaikille aineenvaihdunnan ja kasvun osa-alueille. Jos assimilaattien tarjonta on pienempi kuin kysyntä, aineenvaihdunta, kudosten koostumus ja kasvu heikkenevät. Jos niitä on liikaa, aminohappoja ja muita aineenvaihduntatuotteita sekä nitraattia kertyy. Kasvien kasvun lisäämiseksi, kun N on rajoittava tekijä, on otettava enemmän
. Kun N:n otto on suurempi kuin kysyntä, kasvu on potentiaalissa ja kasvuelimiin on muodostettava lisäkapasiteettia.
Skeemaattinen kaavio kasvin eri prosessien ja osajärjestelmien välisestä vuorovaikutuksesta, joka johtaa kuiva-aineen ja sadon tuottamiseen (mukaillen Lawlor, 1994). Valo tuottaa energiaa ilmakehän hiilidioksidin fotosynteettiseen assimilaatioon lehdissä, jolloin syntyy hiiliassimilaatteja (hiiltä), joita käytetään nitraattireduktiossa (NR) lehdissä (ja myös juurissa).
saadaan maaperästä. Kasvin sisällä tuotetut hiiliassimilaatit ja aminohapot jakautuvat kasvuelimiin, joissa ne tarjoavat substraatin kaikille aineenvaihdunnan ja kasvun osa-alueille. Jos assimilaattien tarjonta on pienempi kuin kysyntä, aineenvaihdunta, kudosten koostumus ja kasvu heikkenevät. Jos niitä on liikaa, aminohappoja ja muita aineenvaihduntatuotteita sekä nitraattia kertyy. Kasvien kasvun lisäämiseksi, kun N on rajoittava tekijä, on otettava enemmän
. Kun N:n otto on suurempi kuin kysyntä, kasvu on potentiaalissa ja kasvuelimiin on muodostettava lisäkapasiteettia.
N-lannoitteet ja maatalouden parantaminen
Tarpeesta ymmärtää paremmin N:n ja kasvintuotannon välisiä perusmekanismeja ja parantaa N:n käyttöä käy ilmi, kun tarkastellaan maailman maanviljelyksen tämänhetkistä tilannetta ja sitä, miten riippuvainen se on teollisesti tuotettavista typpilannoitteista (Bacon, 1995). Maatalous hyödyntää nykyisin suurta osaa maapallon hedelmällisimmästä maasta, käyttää suuren osan käytettävissä olevasta vedestä ja vaatii huomattavia määriä lannoitteita. Osa näistä (esim. fosfaatit) louhitaan, mutta epäorgaaninen typpi on peräisin N2:n muuntamisesta NH3:ksi teollisesti ureaksi, nitraateiksi jne. Teollinen N:n sitominen on lähellä N2:n luonnollista sitomista biosfäärissä. Elintarvikkeiden tuotantoa on lisättävä laajentamatta maatalousmaata (jota rajoittavat muut tekijät, kuten vedensaanti) ja käyttämällä vähemmän lannoitteita, joiden synteesiin käytetään suuria määriä fossiilisista polttoaineista peräisin olevaa energiaa. Vähemmän N-lannoitteiden käytön vähentäminen vähentää kustannuksia ja saastumista, joka on seurausta synteesimenetelmistä ja tehottomasta levittämisestä viljelykasveille ja niiden ottamisesta käyttöön; näiden tavoitteiden saavuttaminen on kiireellisesti tarpeen (Ter Steege et al., 2001). Lannoitteiden käytön vähentäminen on kuitenkin ristiriidassa sen kanssa, että viljelykasvien satoa on lisättävä. Tärkeimpien peruselintarvikkeiden, esimerkiksi vehnän, sadot eivät ole kasvaneet viime vuosikymmenen aikana (Evans, 1998). Näin ollen nopeasti kasvavan ihmisväestön kasvavan elintarvikekysynnän myötä elintarvikepulan mahdollisuus kasvaa maailmanlaajuisesti. Elintarvikepulan ja ympäristön pilaantumisen ja saastumisen mahdollisesti vaarallisista yhteiskunnallisista ongelmista selviytyminen edellyttää, että maatalouden satotasoa pinta-alayksikköä kohti kasvatetaan samalla, kun riippuvuutta levitetyistä lannoitteista vähennetään (Evans, 1998). Suuri osa maailman maataloudesta käyttää typpilannoitteita hyvin tehottomasti (jopa kehittyneissä talouksissa) usein siksi, että muut ympäristöolosuhteet rajoittavat niitä, joten viljely-ympäristön ja typpilannoiteteknologian parantaminen sekä nykyisten parhaiden käytäntöjen soveltaminen voisivat vähentää menetyksiä ja lisätä tuotantoa (Bacon, 1995). Nykyinen tietämys siitä, miten kasvit metaboloivat typpeä ja miten typpi käyttäytyy ympäristössä, on luultavasti riittävä tähän tarkoitukseen, vaikka järjestelmän ymmärtämistä kokonaisuutena (ks. mallintamista koskeva myöhempi keskustelu) on parannettava. Toivottavaa olisi parantaa geneettistä satopotentiaalia, jota ei ole parannettu vuosikymmeniä jatkuneella valikoivalla jalostuksella, jotta saavutettaisiin parempi kokonaistuotanto vähemmällä N:llä ja muilla resursseilla (ks. riisin tuotannon lisäämistä koskevat keskustelut Sheehy et al., 2000). Vaikka tämä olisikin mahdollista, se edellyttäisi kuitenkin tehostettua valintajalostusta. Geenimuuntelun osalta tarvitaan todennäköisesti paljon enemmän asiantuntemusta ja taloudellista tukea sekä teknistä jatkokehittelyä, vaikka jonkin verran näyttöä onnistumisesta onkin saatu (Ku et al., 2000), sillä nykyistä tekniikkaa ei ole vielä kokeiltu (Matsuoka et al., 2000) ja tehokkaan soveltamisen edellyttämä aika on todennäköisesti pitkä. Onnistumisen todennäköisyyttä on vaikea arvioida; tämä koskee myös valintajalostusta, koska satojen ja satopotentiaalin kasvuvauhti on paljon hitaampaa tai sitä ei ole lainkaan. Geneettisiä ominaisuuksia voidaan muuttaa erityisesti tuotannon ja sen tehokkuuden lisäämiseksi, mutta muutoskohteet on määriteltävä selkeästi. Molekulaaristen tekniikoiden soveltaminen auttaa tässä ja jalostusohjelmissa, kun tärkeimpiä geenejä ja kvantitatiivisia ominaisuuslokuksia, jotka kontrolloivat maatalousominaisuuksia, tunnistetaan ja sijoitetaan kattaviin geneettisiin karttoihin (Snape, 1996). N:n merkitys viljelykasveissa on kuitenkin niin perustavanlaatuinen, että nämä lähestymistavat on yhdistettävä kasvien biokemian ja fysiologian yksityiskohtaiseen tuntemukseen.
Fotosynteettinen hiilen ja typen assimilaatio ja N-tarjonta
N:n merkitys maataloustuotannossa liittyy läheisesti fotosynteesiin. Fotosynteesissä fotonien ”fysikaalinen energia” muunnetaan ”kemialliseksi energiaksi” ATP:ksi ja pelkistyneiksi aineenvaihdunnan välituotteiksi, pääasiassa NADPH:ksi, joita käytetään monien erityyppisten hiili- ja typpi-assimilaattien, erityisesti hiilihydraattien ja aminohappojen, synteesissä (Foyer et al., 2001). Nämä ”ruokkivat” elinten biokemiallisten komponenttien synteesiä ja muodostavat lopulta koko kasvin rakenteen (Lawlor ym. 2001). Assimilaattituotannon perusmekanismeja tarkastellaan, koska ne ovat keskeisiä kasvintuotannon ymmärtämisen kannalta.
CO2-assimilaatio
CO2-assimilaatiota suhteessa lehtien koostumukseen ja N-tarjontaan on tarkasteltu laajasti (Evans, 1983; Sage et al., 1987; Lawlor et al., 2001), ja se voidaan tiivistää seuraavasti: N määrää aminohappojen ja siten proteiinien (ks. myöhemmin) ja lopulta kaikkien solukomponenttien synteesin. Nopea hiilidioksidin assimilaationopeus edellyttää vastaavasti suuria määriä monista kloroplastien komponenteista, erityisesti valoa keräävistä klorofylli-proteiinikomplekseista (LHCP), tylakoideissa olevista elektroninkuljetus- ja NADP+-reduktiokomponenteista sekä hiilidioksidia assimiloivasta entsyymistä ribuloosa-bisfosfaattikarboksylaasikarboksylaasi-oksygenaasi-entsyymistä (Rubiskosta), ja lisäksi muista entsyymeistä, joita tarvitaan hiilidioksidin assimilaatioon stroomissa. Proteiinien perusominaisuudet (molekyylimassa, rakenne) määräytyvät geneettisesti. Monet entsyymit ovat kuitenkin ympäristö- ja kasvitekijöiden (esim. valon ja proteiinien fosforylaation) hyvin monimutkaisella tavalla säätelemiä. Sekä proteiinien ja muiden komponenttien määrät ja aktiivisuus elimissä että elinten koko määräävät aineenvaihdunnan kokonaiskapasiteetin. Suurten hiilidioksidin assimilaationopeuksien saavuttamiseksi lehden pinta-alayksikköä kohti tarvitaan suuria määriä komponenttien molekyylejä. Joidenkin proteiinien molekyylimassa on suuri suhteessa niiden aktiivisuuteen, joten lehdissä on huomattavia määriä proteiineja (suuri massa lehden pinta-alayksikköä kohti). Esimerkiksi fotosynteesissä käytetyn energian tehokkaaseen talteenottoon tarvitaan suuri määrä klorofylliä pinta-alayksikköä kohti, jota proteiinit ”tukevat” (valoa keräävät klorofylli-proteiinikompleksit, LHCP, tylakoideissa), joten tylakoideissa on paljon N:a. Kloroplastin ja lehden tärkein proteiini (erityisesti C3-kasveissa; Evans, 1983; Sage et al, 1987) on Rubisco, joka katalysoi CO2:n ja RuBP:n välistä reaktiota, jolloin syntyy trioosifosfaattia, joka viedään kloroplastin stroomasta sytosoliin ja muunnetaan sakkaroosiksi. Rubiscon katalyyttinen nopeus proteiinimassaa kohti on alhainen, joten C3-luokan lehdissä yleisesti määritetyt hiilidioksidin assimilaationopeudet edellyttävät suurta määrää Rubiscoa. Rubiscon määrä voi olla jopa 8 g m-2 , ja se muodostaa jopa 30 prosenttia vehnän lehtien N:stä ja jopa 50 prosenttia liukoisesta proteiinista (Lawlor et al., )., 1989). Aktiivisesti metaboloituvat lehdet sisältävät vastaavasti suuria N-pitoisuuksia. Jos lehtien kasvun aikainen N-pitoisuus on alle sen, mitä tarvitaan proteiinisynteesin potentiaalisen nopeuden ylläpitämiseen jne., muodostuvien komponenttien määrä on riittämätön maksimaaliseen CO2-assimilaatioon (Lawlor et al., 1988, 1989). Tilanne on tietenkin monimutkaisempi kuin hahmoteltu, sillä CO2-assimilaatio ei riipu komponenttien määristä vaan niiden aktiivisuudesta, joka riippuu muista tekijöistä. Jos esimerkiksi Rubiscon pitoisuus vähenee, aktiivisuus kasvaa, jolloin se pyrkii kompensoimaan muutoksen. Matalassa lämpötilassa tarvitaan enemmän Rubiscoa (ja muita proteiineja ja komponentteja) tietyn CO2-assimilaationopeuden ylläpitämiseksi, koska aineenvaihdunnan aktiivisuus vähenee entsyymireaktioiden hitaamman nopeuden vuoksi (Lawlor et al., 1987b). Näin ollen fotosynteettisen järjestelmän ja aineenvaihdunnan kehityksessä sekä monimutkaisessa vuorovaikutuksessa ympäristön kanssa on huomattavaa joustavuutta.
Typen puutteella on suuri vaikutus kloroplastien kokoon, koostumukseen ja toimintaan. Runsaasti typpeä saaneiden kasvien kloroplasteihin verrattuna ne ovat pienempiä ja litteämpiä, niissä on vähemmän tylakoidikalvoja, jotka ovat huonosti pinoutuneita, ja granaalisten ja intergranaalisten tylakoideja on vähemmän, ja strooman osuus kasvaa esimerkiksi riisissä (Laza et al., 1993) ja sokerijuurikkaassa (Kutik et al., 1995). LHCP:tä, Rubiscoa ja ATP-syntaasia on vähemmän (Theobald et al., 1998). Evans ja Terashima kuitenkin osoittivat, että tylakoidien koostumukseen N-tarjonta ei vaikuta suhteellisen paljon, sillä tylakoidikomponentit, elektroninkuljetusaktiivisuus ja O2:n kehittymisnopeus CO2-kyllästeisyystilanteessa klorofyllin perusteella ilmaistuna ovat hyvin samankaltaisia pinaatissa, jota kasvatettiin hyvin erilaisella N-tarjonta-asteella (Evans ja Terashima, 1987). Sitä vastoin Rubiscon ja liukoisten proteiinien pitoisuudet klorofylliyksikköä kohti olivat suuremmat suurilla N-pitoisuuksilla, mikä osoittaa, että pienellä N-pitoisuudella CO2:n assimilaatiokapasiteetti oli pienempi kuin elektroninsiirtokapasiteetti. Vehnällä Rubiscon ja klorofyllin suhde on suhteellisen vakio eri N-käsittelyjen aikana, joskin se kasvaa suurilla N-pitoisuuksilla (Evans, 1983; Lawlor et al., 1989). Muut kirjoittajat ovat osoittaneet, että Rubiscon ja kokonaisklorofyllin massasuhteet kasvoivat N-syötön lisääntyessä enemmän kuin ATP-syntaasin ja klorofyllin suhde (Nakano ym., 1997; Theobald ym., 1998). Klorofylli a/b -suhteeseen N-tarjonta ei juurikaan vaikuta klorofyllin suuresta vähenemisestä huolimatta, mikä viittaa siihen, että N-tarjonta ei säädellä eri tavoin LHCP:n (joka sisältää klorofylli b:tä) ilmentymistä suhteessa muihin valonkeruu- ja reaktiokeskuskompleksien komponentteihin. Yleistyksenä voidaan todeta, että N-tarjonta muuttaa eri tavoin kloroplastin koostumusta säätelevän geneettisen informaation ilmentymistä, erityisesti Rubiscon ja ATP-syntaasin ilmentymistä, mutta ei tylakoidikalvon komponenttien ilmentymistä (kuva 2). Mahdollisuuksia muuttaa fotosynteettisiä mekanismeja hiilidioksidin assimilaation lisäämiseksi tutkitaan aktiivisesti (Paul ja Lawlor, 2000). Joitakin lisäyksiä on saavutettu muuttamalla lehtien koostumusta, yllättäen muuttamalla trehaloosiaineenvaihduntaa, luultavasti kehityksen säätelyn kautta (Paul ym., 2001). Kun otetaan huomioon lehtien koostumuksen ja toiminnan joustavuus vastauksena ympäristöolosuhteisiin, kuten valoon, muutokset N:n käytön parantamiseksi saattavat olla mahdollisia. Jos ne kuitenkin merkitsevät entsyymien jne. lukumäärän mutta eivät ominaisuuksien lisäämistä, valkuaismassan määrä kasvaa, samoin kuin N-pitoisuus ja N:n tarve. Rubiscon pitoisuuden lisääminen ei välttämättä lisää hiilidioksidin assimilaatiota pinta-alayksikköä kohti C3-luokan lehdissä edes kirkkaassa valossa muiden rajoitusten (esim. hiilidioksidin tarjonta) vuoksi (Lawlor ym., ), 1987,a, b; Millard, 1988; Millard ja Catt, 1988), joten komponenttien määrän lisääminen ei välttämättä ole aina tehokasta.
C3-fotosynteesin CO2-tarjonta on riittämätön nykyisessä ilmakehässä (360 μmol mol-1), ja fotosynteesinopeus sekä sadon kasvu ja sato lisääntyvät noin 30 % Ison-Britannian olosuhteissa, jos se kaksinkertaistetaan. Näin ollen tällä yksinkertaisella ympäristömuutoksella saavutetaan geneettinen potentiaali (ks. myöhemmin). Jos hiilidioksidin assimilaation tehokkuutta voitaisiin lisätä C3-kasveissa poistamalla fotorespiraatio, tuottavuus kertynyttä typpiyksikköä kohti kasvaisi. Nykyisessä hiilidioksidipitoisessa ilmapiirissä on usein kiinnitetty huomiota runsaalla typpipitoisuudella kasvatetuissa lehdissä esiintyvään suureen Rubisco-pitoisuuteen, jonka katalyyttinen aktiivisuus on alhainen, ja se on johtanut ajatukseen Rubiscon määrän vähentämisestä tai sen ominaisuuksien muuttamisesta (proteiinin määrän vähentäminen aktiivista paikkaa kohti, aktivoitumistilan lisääminen jne.) N-tarpeen vähentämiseksi. Ei ole kuitenkaan näyttöä siitä, että tämä olisi mahdollista (ja on näyttöä siitä, että tällaiset muutokset estävät huomattavasti fotosynteesiä). Rubiscon suuren määrän ja alhaisen aktiivisuuden vuoksi lehdissä, erityisesti runsaan N-tarjonnan vallitessa, sitä on pidetty varastoproteiinina: se remobilisoituu vanhemmista lehdistä ja muodostaa suuren osan kasvavien lehtien proteiinista silloin, kun N:n määrä on vähäinen, ja varastoproteiinisynteesistä esimerkiksi viljan jyvissä ja perunan mukuloissa (Lawlor ym. 1987,a, 1989; Millard 1988; Millard ja Catt 1988), mikä tukee varastointitehtävää. On väitetty, että proteiinisynteesi on tehotonta energiankäyttöä, mutta kun otetaan huomioon, että C3-kasveissa tarvitaan suurta Rubisco-pitoisuutta hiilidioksidin assimilaatioon, erityisesti korkeassa valossa, ja varastoimalla
sekä aminohapoilla on ionisia ja osmoottisia vaikutuksia, Rubiscon synteesillä voi olla etua runsaan N:n ohimenevänä varastoijana (Heilmeier ja Monson, 1994). Tällaisia näkökohtia ei pitäisi jättää huomiotta, kun ehdotetaan, että Rubisco-pitoisuutta pitäisi pienentää N-käytön tehokkuuden parantamiseksi esimerkiksi kohonneessa CO2:ssa (Mitchell ym., 2000). Rubiscon roolin monimutkaisuutta ja sen tiivistä integroitumista vehnän N-talouteen osoittaa vaihteleva tasapaino CO2-assimilointikapasiteetin ylläpitämisen välillä vanhoissa lehdissä ja Rubiscon uudelleen mobilisoitumisen välillä senesenssin ja jyvien täyttymisen aikana. Tämän tasapainon muutoksilla on suuria vaikutuksia satoon ja jyvien koostumukseen. N-puute vaikuttaa erityisesti näihin prosesseihin, sillä se vähentää kokonaisassimilaatiota, kun lehdet ovat lyhytikäisempiä, vanhenevat ja menettävät fotosynteettisen kyvykkyytensä nopeammin kuin silloin, kun sitä on runsaasti, mikä johtuu N:n remobilisoitumisesta kasvaviin elimiin (Brouqisse et al., 2001); lehtien tehollisen käyttöiän parantaminen N:n annostelulla (Lawlor et al., 1989) tai jalostamisella (Sheehy et al., 2000) on todistetusti keino sadon lisäämiseksi. Vaikka tällaiset vuorovaikutussuhteet on kuvattu hyvin, on tarpeen parantaa N:n saannin ja fotosynteesin ja siihen liittyvien järjestelmien välisen suhteen määrällistä määrittelyä ja optimoida N:n saanti, Rubiscon määrä ja fotosynteesinopeus.
C3- ja C4-kasvien välillä on huomattavia eroja lehtien fotosynteettisten komponenttien pitoisuuksissa, kuten usein on keskusteltu (Sage et al., 1987; Evans ja von Caemmerer, 2000; Lawlor et al., 2001). Koska C4-fotosynteesi tarjoaa korkean hiilidioksidipitoisuuden, jossa Rubisco toimii, C4-kasvien hiilidioksidin assimilaatioon tarvitaan vähemmän Rubiscoa kuin C3-kasvien hiilidioksidin assimilaatioon, vaikka hiilidioksidin assimilaationopeus on suurempi C4-kasveissa jopa suurella fotonivirralla. Näin ollen N-pitoisuus lehtiyksikköä kohti on pienempi kuin C3-kasveilla, ja N-tarve on pienempi suurempaa tuotantoa varten, joten N-käytön tehokkuus paranee. C3-kasvien muokkaaminen kohti tätä onnellista tilaa on kasvien biokemian pitkäaikainen tavoite, mutta se edellyttää sellaisen Rubiscon tuotantoa, jonka oksygenaasikapasiteetti on pienempi tai sitä ei ole lainkaan, jolloin fotorespiraatio (syy C3-kasvien suhteelliseen tehottomuuteen) voidaan minimoida tai poistaa. Kuten edellä mainittiin, on hyvin epätodennäköistä, että Rubiscoa voitaisiin kehittää siten, että se poistaisi fotorespiraation. Niinpä on ehdotettu C3-kasvien rakenteellisten ja aineenvaihdunnallisten ominaisuuksien muuttamista C4-kasveissa esiintyvän korkean CO2-ympäristön aikaansaamiseksi Rubiscolle (Sheehy et al., 2000). C4-syndrooman monimutkaisuuden jäljitteleminen C3-kasveissa on vaikeaa sen huomattavan entsymaattisen ja anatomisen monimutkaisuuden vuoksi. On epätodennäköistä, että nopeaa edistystä saavutettaisiin muuttamalla C3:n biokemiaa ja anatomiaa C4:n biokemiaksi ja anatomiaksi, vaikka riisin C3-fotosynteesissä on tapahtunut ilmeisiä parannuksia, jotka johtuvat sellaisten entsyymien käyttöönotosta, jotka todennäköisesti nostavat hiilidioksidipitoisuutta Rubiscon läheisyydessä (Matsuoka ym., 2000), ja vaikka hiilidioksidin assimilaatiota on onnistuttu jonkin verran lisäämään (Ku ym., 2000), 2000), tämä toivottava tavoite näyttää edelleen hyvin kaukaiselta (Evans ja von Caemmerer, 2000).
Skeemaattinen kaavio kloroplastin biokemiallisten komponenttien suhteellisista muutoksista suhteessa vehnän lehteen kertyneen kokonais-N:n määrään. Kloroplastin strooman Rubiscon lisääntyminen verrattuna ATP-syntaasiin tylakoidikalvoissa ja valoa keräävässä klorofylliproteiinikompleksissa (klorofylli a:n ja b:n suhteen perusteella arvioituna) on ilmeinen (aineistosta Theobald ym, 1998).
Skeemaattinen kaavio kloroplastin biokemiallisten komponenttien suhteellisista muutoksista suhteessa vehnän lehteen kertyneeseen kokonais-N:aan. Kloroplastin strooman Rubiscon lisääntyminen verrattuna ATP-syntaasiin tylakoidikalvoissa ja valoa keräävässä klorofylliproteiinikompleksissa (klorofylli a:n ja b:n suhteen perusteella arvioituna) on ilmeinen (aineistosta Theobald ym, 1998).
Nitraatin otto ja assimilaatio
Nitraatin
otto
juurilla riippuu (Engels ja Marschner, 1995)
pitoisuudesta maaperäliuoksessa, juurten hyödyntämästä maaperän tilavuudesta ja juuriston tiheydestä sekä juurten tehokkuudesta
imeämisessä. Jälkimmäiseen vaikuttavat metabolinen tarve ja olosuhteet, kuten lämpötila (Macduff ym., 1987, 1993).
:n virtaus juuren pinnalle riippuu maaperän ja veden kosketuksen laajuudesta, diffuusionopeudesta irtomaasta veteen ja erityisesti
:n kannalta tärkeästä kulkeutumisesta veden massavirtauksessa. Tämä liittyy sadon transpiraatioon ja maaperän vesipitoisuuteen. Juurten koko on riippuvainen kasvusta ja siten N-tarjonnasta, mikä on esimerkki kasvintuotannossa esiintyvistä voimakkaista takaisinkytkentävaikutuksista. Jotta viljelykasvi saisi suuren kokonais-N:n saannin alhaisesta
pitoisuudesta, tarvitaan suuren affiniteetin
siirtäjiä, useampia siirtäjiä juuren pinta-alayksikköä kohti ja suurempaa juuren pituutta ja pinta-alaa maaperän tilavuutta kohti, jotta diffuusiorajoitus voidaan minimoida.
:n varastointikapasiteetin soluissa pitäisi olla suuri erityisesti silloin, kun aineenvaihduntaa rajoitetaan, esimerkiksi alhaisissa lämpötiloissa, kun fotosynteesi on hidasta. Koko kasvin luontainen N-käytön tehokkuus (biomassan tuotanto kertynyttä N-yksikköä kohti) määräytyy kasvin integroitujen biokemiallisten prosessien perusteella. Tuotannon ja N:n välistä suhdetta kuvaava yksittäinen käyrä osoittaa (kuva 3), että prosessien tehokkuus on geneettisesti määräytynyt monenlaisissa N:n otto- ja ympäristöolosuhteissa. Biomassan tuotantokapasiteetti ja N:n hyväksikäyttö voivat kuitenkin olla hyvin riippuvaisia ympäristöolosuhteista, mukaan lukien
tarjonta. Kokonaistuotannon kasvattaminen vaatii riittävästi N:ää asymptootin saavuttamiseksi, mutta suurin tuotanto vähimmällä N:llä vaatii optimointia, joka tapahtuu maksimituotantoa pienemmällä tasolla (Lawlor et al., 2001).
N:n saannin parantaminen alhaisista
pitoisuuksista maaperässä edellyttää suuremman kokonaistilavuuden hyödyntämistä ja suurempaa juurten pituutta ja pinta-alaa maaperän tilavuutta kohti, jotta voidaan minimoida diffuusiovastus, joka voi olla merkittävä rajoitus. Lisäksi useammat kuljettajat juuren pinta-alayksikköä kohti lisäävät juuren kuljetusominaisuuksia. Kuljetusjärjestelmän affiniteetin lisääminen
:lle olisi suuri edistysaskel; tämä on kuitenkin jo suuri, sillä
voi poistua mikromolaarisista pitoisuuksista hyvin sekoitetuissa liuoksissa (Engels ja Marschner, 1995), ja sen saavuttaminen voi olla hyvin vaikeaa.
Nitraatin metaboliaa, joka voi tapahtua lehdissä ja juurissa kasvilajista riippuen, on tutkittu hyvin (ks. artikkelit Lea ja Morot-Gaudry, 2001). Keskityttäessä vain lehtisoluihin,
pelkistyy NH3:ksi nitraatti- ja nitriittireduktaasien toimesta fotosynteettisen elektroninsiirron elektroneja käyttäen. NH3 muunnetaan aminohapoiksi GS/GOGAT-entsyymireaktion avulla, ja ”hiilihapot” saadaan mitokondrioiden trikarboksyylihappokierrosta peräisin olevista orgaanisista hapoista. Orgaanisten happojen synteesiin tarvittavat hiilihydraatit ovat peräisin viime kädessä fotosynteettisestä hiilidioksidin assimilaatiosta, ja ATP:tä GS/GOGAT-reaktiota varten tuotetaan fotosynteesissä ja hengityksessä. Näin ollen N- ja C-aineenvaihdunnan aivan varhaisimmissa vaiheissa on tiivis vuorovaikutus, molemmat käyttävät valoenergiaa, ja noin 10 % fotosynteesiä tekevien lehtien elektronivirrasta käytetään
pelkistämiseen (Foyer ym., 2001). Assimiloidun hiilen ja N:n suhde ei kuitenkaan ole jäykästi kiinteä, sillä jos
tarjonta kasvaa suhteessa hiilidioksidiin, niin aminohappoja ja proteiineja kertyy enemmän suhteessa hiilidioksidin assimilaationopeuteen ja hiilihydraattipitoisuuteen, joka voi pienentyä kasvun kiihdyttyä (Lawlor ym., 1987,a, b, c). Prosessien välillä on kilpailua: lehdissä rajoitettu
tarjonta vähensi hiilidioksidin assimilaation substraatin ribuloosabisfosfaatin (RuBP) pitoisuutta, mutta lisäsi ATP/ADP-suhdetta, mikä viittaa siihen, että pelkistimestä saatetaan kilpailla (Mächler ym., 1998). Koska CO2:n assimilaatiopotentiaali on suurempi suurella N-tarjonnalla kasvatetuissa lehdissä, CO2:n ja
assimilaation välisen kilpailun laajuus saattaa olla piilossa. N/C-suhde vaihtelee resurssien, erityisesti N:n mutta myös CO2:n, saatavuuden mukaan ja pienenee CO2:n tarjonnan kasvaessa (Theobald et al., 1998), ja se on hyvin riippuvainen lämpötilasta. Esimerkiksi viileissä olosuhteissa elinten kasvu hidastuu enemmän kuin N-assimilaatio ja -käyttö, joten N/C-suhde kasvaa lämpimiin olosuhteisiin verrattuna. Kun saatavilla on runsaasti
, suuri osa N:stä ”varastoituu” (eli on metabolisesti inaktiivista) proteiinina ja pienemmässä määrin aminohappoina ja
lyhytaikaisissa tai pitkäaikaisissa altaissa, kunnes niiden kapasiteetti on kyllästynyt. Niiden kapasiteetin on oltava geneettisesti määräytynyt, vaikka niiden säätelyä ei tunneta hyvin (Heilmeier ja Monson, 1994).
Proteiinisynteesin merkitys sekä geneettiset ja ympäristötekijät, jotka säätelevät eri proteiinien määriä ja suhteellisia osuuksia, ovat keskeisiä keskusteltaessa N:n vaikutuksista aineenvaihduntaan ja kasvuun. Proteiinisynteesin nopeus, kun kaikki muut tekijät eivät ole rajoittavia, riippuu lämpötilasta. Se pysähtyy hyvin alhaisissa lämpötiloissa, nousee maksimiin lämpötilan noustessa ja laskee sitten edelleen noustessa. Tämä vaikuttaa kaikkiin kasvien prosesseihin ja muuttaa aminohappojen ja siten myös nitraatin kysyntää. Kokeellinen näyttö osoittaa, että kun proteiinisynteesin tarve vähenee, niin aminohappoja kertyy ja
kysyntä
vähenee, mutta ei sen saanti, joten
kertyy, vaste
konsentraatioon muuttuu näin ollen, ja lämpötilan ja nitraatin tarjonnan ja kasvun välillä on huomattava vuorovaikutus (Lawlor ym., 1987,a, c, 1988; Miller et al., 2001). Riittämättömän N:n vuoksi lehtien aminohappopitoisuus laskee, valkuaista syntetisoituu vähemmän ja kasvu vähenee yleensä enemmän kuin fotosynteesi, joten hiilihydraatteja kertyy ja N/C-suhde on alhainen. Näistä prosesseista ja vuorovaikutussuhteista on vain vähän tietoja viljelykasvien osalta, vaikka ne ovatkin ratkaisevan tärkeitä niiden kasvumekanismien ja N-tarpeen ymmärtämisen kannalta.
Typpiaineenvaihdunnan muokkaaminen on mahdollisesti mahdollista, koska prosesseissa ja erityisesti kapasiteetissa on suurta luonnollista vaihtelua (Limami ja de Vienne, 2001). Nitraattireduktaasiaktiivisuuden lisääminen lehtipinta-alayksikköä kohti on potentiaalinen keino lisätä pelkistetyn nitraatin kokonaismäärää; sitä indusoi
ja sen säätely on monimutkaista, mikä tarjoaa mahdollisuuden muuttaa nitraatin pelkistymisen määrää ja siten myös sen nopeutta. Runsaalla
nitraatin kertymisestä (Lawlor et al., 1987a) on selvää (ks. aiempi keskustelu), että pelkistymisnopeudella on rajoituksia, jotka riippuvat ympäristöolosuhteista, erityisesti lämpötilasta. Myös aminohappojen kertyminen osoittaa, että proteiinisynteesi on rajoittavaa. Kun tarkastellaan sitä, miten typpiin liittyvää aineenvaihduntaa voitaisiin muuttaa, on selvää, että koko aineenvaihdunnassa on hyvin monimutkaisia vuorovaikutuksia ja huomattavia ympäristövaikutuksia, jotka yhdessä määräävät kasvin kasvun ja sen koostumuksen.
Proteiinisynteesin prosessien muuttaminen merkitsisi huomattavaa muutosta perusaineenvaihdunnassa. Proteiinin määrän lisääminen edellyttäisi synteesikapasiteetin lisäämistä esimerkiksi lisäämällä paikkojen määrää, koska tietyssä lämpötilassa, jossa aminohappoja on runsaasti, nykyinen kapasiteetti olisi rajoittava. Tämä kapasiteetin päälle kytkeytyminen voi todellakin olla tilanne kasveissa, joiden proteiinipitoisuus on suuri, ja vasteena runsaalle
. Tällaisia käsitteitä ei kuitenkaan ole juurikaan tutkittu. Imeytyvän ja käytettävän
määrän lisääminen kyllästävällä ja tyydyttävällä tarjonnalla edellyttää erilaisia lähestymistapoja ja mahdollisesti monia muutoksia aineenvaihduntaan.
Yleistetyt vastekäyrät (A), jotka yhdistävät biomassan tuotannon typen ottoon ja typen tarjontaan. Käyrien välinen ero johtuu maaperän typpihäviöistä ja kasvin ottamisen rajoituksista. Kuviossa (B) havainnollistetaan solun makromolekulaaristen biokemiallisten komponenttien sisältämän typen sekä nitraatin ja aminohappojen, jotka ovat typen lähde niiden synteesiä varten, välistä suhdetta. Vasteet (joiden tarkoituksena on havainnollistaa periaatteita ja jotka on johdettu kokeista) voidaan tulkita seuraukseksi geneettisen potentiaalin rajoittamisesta, joka on samaistettu proteiinisynteesiin, tai N-tarjonnan aiheuttamasta rajoittamisesta, kuten kaaviossa (C).
Yleistetyt vastekäyrät (A), jotka yhdistävät biomassan tuotannon typen ottoon ja typen saantiin. Käyrien välinen ero johtuu maaperän typpihäviöistä ja kasvin ottamisen rajoituksista. Kuviossa (B) havainnollistetaan solun makromolekulaaristen biokemiallisten komponenttien sisältämän typen sekä nitraatin ja aminohappojen, jotka ovat typen lähde niiden synteesiä varten, välistä suhdetta. Vasteet (joiden tarkoituksena on havainnollistaa periaatteita ja jotka on johdettu kokeista) voidaan tulkita seuraukseksi geneettisen potentiaalin rajoittamisesta, joka tunnistetaan proteiinisynteesin yhteydessä, tai N-tarjonnan aiheuttamasta rajoittamisesta, kuten kaaviossa (C).
Lehden kasvu ja koostumus
Lehden kasvunopeuteen ja koostumukseen N vaikuttaa merkittävästi kasvun aikana, ja ne on hyvin dokumentoitu ja ne ymmärretään hyvin rakenteen muutoksina, vaikkakaan mekanismeja ei ymmärretä yhtä hyvin (Nelson ja Dengler, 1997). Ne reagoivat erityisen herkästi kasvavaan N-tarjontaan silloin, kun N-tarjonta on rajoittava (ks. N-vastekäyriä koskeva jakso). Tämä havaittiin kokeissa (Lawlor et al., 1987,a, b, c, 1988), joissa tutkittiin lämpötilan ja N-tarjonnan suhteellisia vaikutuksia ja vuorovaikutusta vehnän lehtiin. Viileissä (13/10 °C:n päivä-/yölämpötila) verrattuna lämpimiin (23/18 °C) kasvuolosuhteisiin ja puutteellisessa (4,5 mM) verrattuna runsaaseen (19,9 mM)
tarjontaan, vähäinen N-saanti vähensi lehtien kasvunopeutta, mutta ei lyhentänyt sen kestoaikaa, vaikkakin pienensi lehtien loppukokoa (taulukko 1). Lehdet sisälsivät vähemmän soluja, joiden tilavuus oli pienempi. Alhainen N-pitoisuus vähensi liukoisten proteiinien (Rubisco mukaan luettuna) pitoisuutta ja proteiinisynteesinopeutta lehteä kohti, mutta lisäsi rakenteellisten ja ei-rakenteellisten proteiinien suhdetta.
saanti on ratkaisevan tärkeää lehtien kasvulle, koska proteiineilla on tärkeä rooli soluseinien ja sytoskeletin kasvussa ja siten solujen laajenemisessa (Lawlor et al., 1988). Rakenneproteiinien synteesi näyttää olevan etusijalla muihin komponentteihin nähden, sillä hyvin alhaisen N:n saatavuuden vallitessa jäännösproteiinin (liukenemattoman) N-pitoisuus kasvaa suhteessa liukoiseen proteiiniin, mikä viittaa siihen, että solun perusrakenteiden synteesiin tarvitaan tietty määrä (3 g m-2 ) proteiinia (Lawlor ym., 1989; Theobald ym., 1998), jota ilman muita rakenteita ei voida muodostaa. Kun aineenvaihduntaan saadaan runsaasti N:ää, lehtien vanheneminen jne. minimoituu ja hidastuu, mikä pidentää niiden tehokasta käyttöikää (lehtipinta-alan kesto). Se, mikä määrittää solukomponenttien synteesin suhteellisen herkkyyden
:lle, on epäselvää. Ei tiedetä, mikä suhde on esimerkiksi
:n pitoisuuksien (Miller ym., 2001) ja aminohappopitoisuuksien välillä tietyissä solukompartimenteissa ja miten nämä ovat yhteydessä Rubiscon tai soluseinän proteiinisynteesin nopeuteen. Tällainen vasteen spesifisyys on tärkeää, jos mekanismeja halutaan ymmärtää, koska solujen kasvu liittyy eri tavoin Rubiscon kertymiseen ja fotosynteesiin N-tarjonnasta riippuen, mikä vaikuttaa solujen koon, assimilaationopeuksien ja kudoskoostumuksen välisiin suhteisiin. Alhaisemmat lämpötilat pienensivät kasvien kasvunopeutta ja lopullista pinta-alaa, mutta lisäsivät lehtien laajenemisen kestoa. Liukoinen ja Rubisco-proteiini lehtipinta-alayksikköä kohti kuitenkin lisääntyi, vaikka proteiinisynteesin määrä lehteä kohti väheni. Tulkinta on, että alhaisempi lämpötila hidasti proteiinisynteesiä vähemmän kuin se hidasti lehtien laajenemista, joten proteiinipitoisuus kasvoi lämpimiin olosuhteisiin verrattuna (Lawlor et al., 1988). Näin aineenvaihduntanopeus säilyi alhaisemmasta lämpötilasta huolimatta. Monimutkaiset muutokset
, aminohappojen ja hiilihydraattien määrissä N-tarjonnan ja lämpötilan myötä voidaan selittää sillä, että eri prosessit – proteiinisynteesi, elinten kasvu, fotosynteesinopeus – reagoivat ympäristöolosuhteisiin eri tavoin. Mahdolliset vuorovaikutussuhteet on esitetty kuvassa 4. Viime kädessä viljelykasvien kasvun selittäminen, typen vaikutukset prosesseihin ja vuorovaikutukset lämpötilan kanssa jne. edellyttävät paljon parempaa ymmärrystä siitä, mikä määrää lehtien kasvun ja koostumuksen. Muutosten aikaansaaminen lehtien kehitykseen, vanhenemiseen ja koostumukseen tuotannon ja N:n käytön tehokkuuden lisäämiseksi edellyttää muutoksia solujen kehityksestä, jakautumisesta ja kasvusta vastaaviin järjestelmiin. Kasvun ja koostumuksen muovautuvuus, joka reagoi N-tarjontaan ja muihin ympäristöolosuhteisiin, viittaa siihen, että lehtien kasvua jne. voidaan muuttaa, mutta kuten aineenvaihduntaprosessien kohdalla, rajoittavat prosessit eivät ole selviä, ja suora muuttaminen voi olla hyvin vaikeaa. Ei tiedetä, miten muutokset ovat tapahtuneet eri lajien tai erilaisiin olosuhteisiin sopeutuneiden ekotyyppien evoluutiossa tai eri lajikkeiden jalostusvalinnassa.
Skeemaattinen kaavio lehtien kasvuun ja organelli-, solu- ja kudoskoostumukseen osallistuvista prosesseista N-tarjonnan ja lämpötilan vaikutuksesta. Kudoskomponenttien aineenvaihdunta- ja varastointivarastojen C- ja N-virrat, jotka johtavat ympäristön tarjonnasta substraattien tuotannon kautta lehden sisällä elinten kasvuun, on esitetty ja säätelypaikat merkitty (Lawlor ym., 1988).
Skeemaattinen kaaviokuva lehden kasvuun ja organelli-, solu- ja kudoskoostumukseen osallistuvista prosesseista, kun ne ovat riippuvaisia N-saannista ja lämpötilasta. Kudoskomponenttien aineenvaihdunta- ja varastointivarastojen C- ja N-virrat, jotka johtavat ympäristön tarjonnasta lehden substraattien tuotannon kautta elinten kasvuun, on esitetty ja säätelypaikat merkitty (Lawlorin ym. mukaan), 1988).
Kuvaus N-tarjonnan vaikutuksista ja vuorovaikutuksesta lämpötilan kanssa vehnäkasveissa
Annetaan mitatut kasvunopeudet, kolmannen lehden pinta-ala sekä proteiini- ja aminohappopitoisuudet ja lasketut valkuaisainesynteesin ja N:n oton nopeudet. Kasveja kasvatettiin 13/10 °C:ssa (kylmä) tai 23/18 °C:ssa (lämmin) ja 4,5 mM
(-N) tai 19,9 mM
(+N). Suluissa olevat arvot ovat lämpimän +N:n prosenttiosuus. (Tiedot Lawlor et al., 1988.)
| Käsittely . | kylmä -N . | kylmä +N . | lämmin -N . | lämmin +N . |
|---|---|---|---|---|
| Kasvunopeus (g kasvi-1 d-1) | 2.2 (34) | 3.4 (53) | 5.2 (80) | 6.5 (100) |
| Lehden 3 pinta-ala (cm2) | 9.9 (58) | 12.0 (70) | 16.5 (96) | 17.1 (100) |
| Lehden 3 proteiinipitoisuus (g m-2) | 7 (88) | 12 (156) | 5 (63) | 8 (100) |
| Valkuaiskasvien proteiinisynteesin nopeus (g lehteä -1 d-1 d-1) | 0.58 (21) | 1.20 (44) | 1.65 (60) | 2.74 (10) |
| N:n imeytymisnopeus (μmol N g-1 kuivamassaa d-1) | 25 (58) | 85 (65) | 50 (38) | 130 (100) |
| Aminohappopitoisuus (mM m-2) | 1.2 (75) | 5.0 (312.5) | 0.8 (50) | 1.6 (100) |
| Nitraattipitoisuus (mM m-2) | 0.5 (17) | 2.6 (87) | 1.2 (40) | 3.0 (100) |
| Käsittely . | kylmä -N . | kylmä +N . | lämmin -N . | lämmin +N . |
|---|---|---|---|---|
| Kasvunopeus (g kasvi-1 d-1) | 2.2 (34) | 3.4 (53) | 5.2 (80) | 6.5 (100) |
| Lehden 3 pinta-ala (cm2) | 9.9 (58) | 12.0 (70) | 16.5 (96) | 17.1 (100) |
| Lehden 3 proteiinipitoisuus (g m-2) | 7 (88) | 12 (156) | 5 (63) | 8 (100) |
| Valkuaiskasvien proteiinisynteesin nopeus (g lehteä -1 d-1 d-1) | 0.58 (21) | 1.20 (44) | 1.65 (60) | 2.74 (10) |
| N:n ottonopeus (μmol N g-1 kuivamassaa d-1) | 25 (58) | 85 (65) | 50 (38) | 130 (100) |
| Aminohappopitoisuus (mM m-2) | 1.2 (75) | 5.0 (312.5) | 0.8 (50) | 1.6 (100) |
| Nitraattipitoisuus (mM m-2) | 0.5 (17) | 2.6 (87) | 1.2 (40) | 3.0 (100) |
Kuvaus N-tarjonnan vaikutuksista ja vuorovaikutuksesta lämpötilan kanssa vehnäkasveissa
Annetaan mitatut kasvunopeudet, kolmannen lehden pinta-ala sekä valkuais- ja aminohappopitoisuudet ja lasketut valkuaisainesynteesin ja N:n oton nopeudet. Kasveja kasvatettiin 13/10 °C:ssa (kylmä) tai 23/18 °C:ssa (lämmin) ja 4,5 mM
(-N) tai 19,9 mM
(+N). Suluissa olevat arvot ovat lämpimän +N:n prosenttiosuus. (Tiedot Lawlor et al., 1988.)
| Käsittely . | kylmä -N . | kylmä +N . | lämmin -N . | lämmin +N . |
|---|---|---|---|---|
| Kasvunopeus (g kasvi-1 d-1) | 2.2 (34) | 3.4 (53) | 5.2 (80) | 6.5 (100) |
| Lehden 3 pinta-ala (cm2) | 9.9 (58) | 12.0 (70) | 16.5 (96) | 17.1 (100) |
| Lehden 3 proteiinipitoisuus (g m-2) | 7 (88) | 12 (156) | 5 (63) | 8 (100) |
| Valkuaiskasvien proteiinisynteesin nopeus (g lehteä -1 d-1 d-1) | 0.58 (21) | 1.20 (44) | 1.65 (60) | 2.74 (10) |
| N:n imeytymisnopeus (μmol N g-1 kuivamassaa d-1) | 25 (58) | 85 (65) | 50 (38) | 130 (100) |
| Aminohappopitoisuus (mM m-2) | 1.2 (75) | 5.0 (312.5) | 0.8 (50) | 1.6 (100) |
| Nitraattipitoisuus (mM m-2) | 0.5 (17) | 2.6 (87) | 1.2 (40) | 3.0 (100) |
| Käsittely . | kylmä -N . | kylmä +N . | lämmin -N . | lämmin +N . |
|---|---|---|---|---|
| Kasvunopeus (g kasvi-1 d-1) | 2.2 (34) | 3.4 (53) | 5.2 (80) | 6.5 (100) |
| Lehden 3 pinta-ala (cm2) | 9.9 (58) | 12.0 (70) | 16.5 (96) | 17.1 (100) |
| Lehden 3 proteiinipitoisuus (g m-2) | 7 (88) | 12 (156) | 5 (63) | 8 (100) |
| Valkuaiskasvien proteiinisynteesin nopeus (g lehteä -1 d-1 d-1) | 0.58 (21) | 1.20 (44) | 1.65 (60) | 2.74 (10) |
| N:n ottonopeus (μmol N g-1 kuivamassaa d-1) | 25 (58) | 85 (65) | 50 (38) | 130 (100) |
| Aminohappopitoisuus (mM m-2) | 1.2 (75) | 5.0 (312.5) | 0.8 (50) | 1.6 (100) |
| Nitraattipitoisuus (mM m-2) | 0.5 (17) | 2.6 (87) | 1.2 (40) | 3.0 (100) |
Viljan kasvu, sato ja N
Tästä aiheesta on kirjoitettu paljon (Lawlor et al., 2001), joten sitä käsitellään tässä vain hyvin lyhyesti. Kasvin tuottaman kuiva-aineen kokonaismäärän ja sen vastaanottaman säteilyn välillä on periaatteessa lineaarinen suhde (Monteith, 1977); tämä johtuu siitä, että valo tuottaa energiaa kaikkeen aineenvaihduntaan. Säteilyn sieppaus riippuu lehtipinta-alan indeksistä (LAI; lehtipinta-alan ja maapinta-alan suhde) ja siten lehtien koosta ja lukumäärästä, johon viljakasvien viljanmuokkaus vaikuttaa huomattavasti ja joka, kuten edellä on todettu, riippuu asymptoottisesti N:n saannista. LAI:n ja säteilysieppauksen välinen suhde ei kuitenkaan ole lineaarinen: kun LAI on suurempi kuin noin 3, PAR-sieppaus lähestyy noin 90 prosenttia, eikä LAI:n lisäys lisää valonsieppausta juurikaan. Sen lisäksi, että typpi vaikuttaa lehtipinta-alaan, fotosynteesinopeus kasvaa suurella typpimäärällä, mistä syistä sitä on käsitelty. Näiden kahden toisiinsa liittyvän vaikutuksen seurauksena biomassan ja N-tarjonnan välillä on vahva asymptoottinen suhde (kuva 2, ks. N-vastekäyriä koskeva keskustelu). Biomassa kasvaa lineaarisesti N-tarjonnan kasvaessa pienistä arvoista (tällä alueella pienet N:n lisäykset johtavat huomattaviin tuotantohyötyihin) ja saavuttaa tasotason suuren tarjonnan kohdalla, kun viljelykasvi kasvaa geneettisesti määritetyllä potentiaalisella nopeudella.
N-pitoisuutta/biomassayksikkö (N-% kuiva-aineesta) käytetään usein osoituksena siitä, kuinka riittävä N-tarjonta on viljelykasvin kasvulle (Lawlor ym., 2001). N-% ei kuitenkaan ole kiinteä arvo, vaan se pienenee kasvin kehittyessä ja sen rakenteen ja biokemiallisen koostumuksen muuttuessa. Lehdet, joissa on paljon proteiineja jne., muodostuvat varhaisessa kasvuvaiheessa, ja tukivarret, joissa on enemmän selluloosaa ja ligniiniä ja vähän proteiineja, myöhemmin. N-pitoisuus (N%) vähenee siis iän myötä, ja se riippuu myös ympäristöstä. N:n puute vähentää N-%:a, koska lehtien suhde varsiin pienenee ja lehtien proteiini- ja klorofyllipitoisuudet laskevat hiilihydraatteja enemmän (ks. edellä). N-%:n muutoksia on hyödynnetty N:n käytön suunnittelussa viljelykasveille (Lawlor et al., 2001), ja tällaisten tekniikoiden jatkokehittämisellä on epäilemättä käytännön taloudellista arvoa.
Sato on kasvin tai viljelykasvin se osa, joka käytetään tiettyyn tarkoitukseen, joten se riippuu viljelykasvista ja ihmisen tarpeista. Viljojen osalta vilja on ensisijainen sato, ja kokonaistuotanto riippuu kasvien lukumäärästä pinta-alaa kohti, siementen lukumäärästä kasvia kohti, tähkien lukumäärästä tähkää kohti, jyvistä tähkää kohti ja massasta jyvää kohti. Varhaiskasvun aikana kylvöversojen ja lehtien muodostuminen määrittää myöhemmän jyvien muodostumiskyvyn ja assimilaattituotannon niiden täyttämiseksi. Geneettisen satopotentiaalin saavuttamiseksi on siis optimoitava kaikki ne tekijät, jotka vaikuttavat järjestelmän monien monimutkaisesti säänneltyjen osien kasvuun, koko viljelykasvin elinkaaren ajan (Slafer et al., 1996).
Riittävällä
ja hiilidioksidin assimilaatiolla assimilaattien tarjonta kehittyviin meristemeihin on riittävää ylläpitämään niiden kasvua, joten kasveja ja pinta-alaa kohti tuotetaan ja säilyy enemmän viljelmiä ja vastaavasti jyviä. Myös jyvien kasvukyky lisääntyy, luultavasti siksi, että syntyy enemmän soluja, joilla on suurempi entsyymikapasiteetti. Jos jyvien täyttymisen aikana saadaan riittävästi assimilaatteja, jyviä täyttyy enemmän ja ne ovat suurempia. Nämä tekijät yhdessä johtavat suureen satoon. Normaaleissa pelto-olosuhteissa kasvu- ja lisääntymiselinten suhteellinen tuotanto vaihtelee eri kasvupaikoilla ja eri vuosina, mikä on seurausta ympäristöeroista, erityisesti N:n saannista. Näin ollen jyväsadon ja biomassan suhde (satoindeksi, HI) ei ole vakio vaan vaihtelee olosuhteiden mukaan. Jos ympäristön vaihtelu on vähäistä, HI on suhteellisen vakio, mutta jos assimilaattia on saatavilla vähemmän varhaiskasvun aikana, eloon jää vähemmän tähkylöitä, jolloin tähkylöitä ja jyviä tähkylää kohti on vähemmän ja sato siten pienempi. Myöhemmin rajoitettu assimilaatio voi vähentää jyvien täyttymistä. N-saannilla on huomattava merkitys, sillä se vaikuttaa aminohappojen saatavuuteen proteiinisynteesiä varten jyvien muodostumisen aikana ja myöhemmin varastoproteiinina (Heilmeier ja Monson, 1994).
Mahdollisesti liian vähän arvostetaan sitä, että eri prosessit, jotka vaikuttavat sadon osatekijöihin, ovat suhteellisen riippumattomia ja että niihin vaikuttavat eri tekijät ja että varhaiskasvatus vaikuttaa merkittävästi eteenpäin. Myös sillä ajankohdalla, jolloin ympäristötekijät vaikuttavat suhteessa kasvin ja sen yksittäisten elinten kehitykseen, on huomattava merkitys. Koska monia tekijöitä on mukana ja ne ovat dynaamisia, viljelykasvien reaktioita ei voida helposti ennustaa, mutta maataloudellisesti niillä on huomattava merkitys. Monet viljelykasvien käyttötarkoitukset ovat hyvin herkkiä laatuominaisuuksille, esimerkiksi panimo-ohran jyvän proteiinipitoisuus on alhainen, joten myöhäisen N-annostelun pitäisi olla minimaalista proteiinipitoisuuden alentamiseksi, mutta satopotentiaalin saavuttamiseksi tarvitaan varhaista N-annostelua, mikä johtaa ristiriitaan, jota vaikeuttaa N:n saatavuus maaperästä. On tärkeää ymmärtää paremmin tällaisten prosessien mekanismeja, jotta voidaan ennustaa kasvien N-tarpeet. Jalostuksen avulla aikaansaadut muutokset sadossa ja laadussa (myös N-pitoisuudessa) ovat olleet huomattavia ja pysyviä. Suuremmat sadot eivät ole johtuneet vehnän lisääntyneestä biomassan tuotannosta, vaan suurelta osin lisääntyneestä jyvien määrästä ja niiden täyttökyvystä. Tämä on tapahtunut kasvullisen kasvun kustannuksella, mikä on lisännyt HI-arvoa (Evans, 1998). On selvää, että assimilaattien tarjonta on pysynyt samassa tahdissa viljan geneettisen tuotantopotentiaalin kanssa. Näiden muutosten taustalla olevia muutoksia aineenvaihdunnassa ei kuitenkaan ymmärretä, joten ne tarjoavat vain vähän ohjeita aineenvaihduntaprosesseihin kohdistuville muutoksille.
Geneettinen potentiaali
Geneettinen potentiaali voidaan määritellä kasvin kokonaiskapasiteetiksi muodostaa biomassaa tai satoa, kun ympäristöstä johtuvat rajoitteet poistetaan (Richards, 1996); jalostajat ja agronomit käyttävät usein termiä sadon tuottopotentiaali, vaikkakin kokonaistuotanto on merkityksellisempi pohdittaessa sitä, miten viljelykasvien potentiaalista kasvua voidaan lisätä. Satopotentiaali on funktio geneettisestä informaatiosta, joka määrittelee valkuaisaineiden ominaisuudet ja määrittää siten rakenteen, kasvun ja kehityksen sekä koon, johon järjestelmä voi kasvaa. Tätä maksimikokoa kasvusyklin aikana voidaan kutsua geneettiseksi potentiaaliksi. Myös prosessien maksiminopeudet ovat geneettisesti määriteltyjä. Geneettistä potentiaalia ei voida vielä määritellä kvantitatiivisesti perusperiaatteista käsin, joten tarvitaan operatiivinen määritelmä. Koska kasvit (hyvänä esimerkkinä vehnä) muodostavat usein suuren määrän meristemejä, jotka pystyvät kasvamaan suotuisissa olosuhteissa, ne reagoivat suuresti resurssien saatavuuteen, eli ne ovat hyvin ”plastisia”. Näin ollen geneettinen potentiaali määritellään tietyissä olosuhteissa (Richards, 1996). Maataloudessa tämä tarkoittaa yleensä maanpinnan pinta-alayksikköä kohti laskettua potentiaalia sekä paikan tavanomaista auringonsäteilyä, lämpötilaa ja ilmakehän hiilidioksidipitoisuutta, jotka ovat suhteellisen yhdenmukaisia ja vaikeasti muutettavissa. Kuten aiemmin mainittiin, ilmakehän nykyisen hiilidioksidipitoisuuden lisääminen lisää huomattavasti biomassaa ja satoa, mikä osoittaa, että satopotentiaali riippuu olosuhteista ja siitä, miten se määritellään. Lämpötila on erityisen tärkeä, koska se vaikuttaa biokemiallisten prosessien nopeuteen (ks. aiempi keskustelu) ja määrittää siten potentiaalin, ja maksimipotentiaali saavutetaan optimaalisessa lämpötilassa tai optimaalisella lämpötila-alueella. Maataloudessa muutettavissa olevia ympäristötekijöitä, kuten ravitsemusta, vedensaantia sekä tuholaisia ja tauteja, muutetaan kuitenkin siten, että ne eivät vaikuta tuotantoon, eli ne eivät rajoita geneettistä potentiaalia. Koska maataloudessa on monia prosesseja, joihin tietyt olosuhteet vaikuttavat eri tavoin, voi olla tarpeen optimoida olosuhteet pikemminkin kuin maksimoida ne. Näin ollen geneettisen potentiaalin mittaaminen voi vaihdella ympäristön mukaan (genotyyppi × ympäristö -vuorovaikutus tai G × E; Hollamby ja Bayraktar, 1996).
Viime vuosisadan aikana tapahtuneesta huomattavasta sadonlisäyksestä noin puolet saatiin viljelykasvien parantuneilla geneettisillä ominaisuuksilla, loput parantuneella maanviljelyllä, erityisesti lisääntyneellä lannoittamisella (Austin et al., 1993). Vihreä vallankumous perustuikin sekä geneettisen potentiaalin parantamiseen että oikeiden olosuhteiden, erityisesti ravinteiden, tarjoamiseen oikeassa määrin ja oikeaan aikaan (Evans, 1998). Kasvinjalostus ei ole lisännyt vehnän kaltaisen viljelykasvin geneettistä potentiaalia biomassan tuotannossa, sillä vanhat ja uudet lajikkeet tuottavat samanlaista biomassaa oikeissa olosuhteissa. Se on kuitenkin lisännyt jyväsatopotentiaalia ja siten jyvän massan suhdetta maanpäälliseen kokonaisbiomassaan eli satoindeksiä. Jyvien laatuominaisuuksia, kuten valkuaisaineiden ja hiilihydraattien suhdetta (esim. ohrassa eläinten rehuksi tai panimotuotantoon) tai eri valkuaisaineiden osuutta (esim. leivän valmistukseen), on myös muutettu: myös ympäristö, kuten typen saanti, vaikuttaa niihin.
Sadon tuotantopotentiaalin parantaminen edellyttää, että yksilöidään tietyt aineenvaihdunnan osat, joita on muutettava, jotta saavutetaan tietyt tuotokset. Kun N-tarjonta on sellainen, että nykyinen satopotentiaali saavutetaan, ainoa tapa lisätä tuotantoa on parantaa tehokkuutta, jolla N käytetään aineenvaihdunnassa. Aineenvaihduntaa on muutettava joko siten, että saavutetaan enemmän C-assimilaatiota N-yksikköä kohti, tai siten, että lisätään N:n käyttökapasiteettia. Ensin mainittu lisää biomassaa, mutta pienentää C/N-suhdetta, eikä proteiinia saada lisää. Jälkimmäistä ei ehkä voida toteuttaa, koska valo olisi merkittävä rajoitus, sillä suuren N:n tapauksessa LAI on jo niin suuri, että yli 95 prosenttia käytettävissä olevasta säteilystä käytetään (Sheehy et al., 2000). Tämän rajoituksen voittaminen edellyttäisi mitä laajimpia muutoksia fotosynteettiseen aineenvaihduntaan ja olisi valtava haaste (Evans ja von Caemmerer, 2000). Kun typpi on rajoittava tekijä, tarvitaan kykyä lisätä typen hyväksikäyttöä laimeasta liuoksesta tai kasvattaa hyödynnettävän maaperän määrää eli lisätä imeytymistehokkuutta tai juurten kasvua. C-assimilaation tehokkuus kasvin N-yksikköä kohti pysyisi samana, mutta biomassan tuotanto kasvaisi samoin kuin N/C-suhde, kuten nykyisillä viljelykasveilla, joille annetaan runsaasti N:ää. C-assimilaation lisääminen N-yksikköä kohti lisäisi mahdollisesti biomassaa (jos valoenergiaa olisi saatavilla), mutta vähentäisi N/C-suhdetta. Jos juuren N-tarjonta vaihtelee siten, että se ei vastaa kasvunopeutta lyhyellä aikavälillä, suurten N-varastojen tarjoaminen kasvissa olisi keino tarjota riittävästi N:ää biokemiallisten vaatimusten täyttämiseksi (Macduff ym., 1993). Tällainen lähestymistapa saattaisi olla helpompi toteuttaa kuin perusaineenvaihdunnan muuttaminen, koska proteiinivarastointikapasiteetin, ”lopputuotteen”, lisääminen ei edellyttäisi laajaa säätelyä. Ollakseen tehokas tilapäisenä N-varastona tarvittaisiin kuitenkin remobilisointikoneisto ja järjestelmiä, jotka havaitsevat N-puutteen ja käynnistävät proteiinien hajoamisen. Jos varastosta ja maaperästä saatavan typen määrä laskee pitkällä aikavälillä alle tarpeen, kasvu tietysti rajoittuu. Tässä yhteydessä on tärkeää ymmärtää hiilen ja typen assimilaation perusprosessit ja niiden suhde sadon määrään. Se voisi ohjata viljelykäytäntöjä, jalostusta ja geenitekniikkaa.
N-vastekäyrät
Kasvien kasvun ja typensaannin välisen suhteen määrittämiseksi rajoittavan typen ja geneettisen potentiaalin määrittämiseksi ei-rajoittavan typen kanssa viljelykasveja kasvatetaan valon, lämpötilan ja hiilidioksidin vakioympäristössä (tai ainakin samassa ympäristössä), joka ei välttämättä ole optimaalinen suurimman tuotoksen kannalta, kun kaikki muut olosuhteet, lukuun ottamatta typensaantia, eivät ole rajoittavassa asemassa (Angus 1995). Tämän jälkeen N-lannoitetta levitetään kasvuston eri alueille eri määriä (nollasta tarpeet ylittävään määrään). Viljelykasvin biomassan tai sadon kasvu määritetään sitten käytetyn N:n määrän funktiona. Viljelykasvin kasvun ja käytetyn N:n määrän välinen suhde on määritetty lukemattomissa kokeissa, ja siitä on keskusteltu usein (Ter Steege et al., 2001). Yleistetty vaste (kuva 2) osoittaa, että hyvin vähäisellä N-pitoisuudella tuotanto on hyvin pientä ja kasvaa lineaarisesti N:n annon myötä, kunnes lopulta saavutetaan asymptootti, eli N:n lisäys ei lisää tuotantoa, mikä on geneettinen potentiaali. Jos kasvu suhteutetaan kasvin keräämään N:ään, alkukaltevuus, joka on kasvin todellinen tai luontainen N:n käytön tehokkuus, on jyrkempi (enemmän biomassaa N-yksikköä kohti) kuin jos se suhteutetaan levitettyyn N:ään. Ero mittaa N:n käytön tehokkuutta, samoin kuin ero pisteen välillä, jossa saavutetaan biomassan tuotannon tasanko, kun se ilmaistaan imeytyneen N:n ja käytetyn N:n yksikköä kohti. Tuotannon ja käytetyn N:n välisen käyrän kaltevuus on käytetyn N:n käytön tehokkuus. Kun N:n tarjonta on vähäistä, hyötysuhde on suuri ja pienenee N:n tarjonnan kasvaessa molemmissa tapauksissa. Käytetyn ja kertyneen N:n välinen ero antaa arvokasta tietoa N:n lähteistä ja hävikistä (Bacon, 1995; Ter Steege ym., 2001). N voi olla peräisin sekä sateista ja maaperän varastoista että levitetyistä lannoitteista, mikä vaikuttaa suuresti levitetystä N:stä johdettuun näennäiseen vasteeseen. Samoin huuhtoutumisesta, bakteeriaineenvaihdunnasta ja maaperän ja kasvien päästöistä johtuvat N:n menetykset vaikuttavat tulkintaan.
N-vastekäyrien käyttö on tuottanut paljon kvantitatiivista tietoa N:n tarpeesta, ajoituksesta jne. (Angus, 1995; Lawlor et al., 2001). Varhaiset tutkimukset osoittivat, että kasvien reaktiot ravinteisiin, mukaan lukien N:n saanti, ovat pohjimmiltaan asymptoottisia, kuten N-vastekäyrien yhteydessä todettiin. Blackmanin ”rajoittavien tekijöiden laki” tiivisti käsitteen. Esimerkiksi Mitscherlich kehitti yhtälön (Y=Ymax(1-e-cN), joka liittää sadon, Y, annostellun typen määrään ja maksimisatoon, Ymax, joka saadaan Y:n ja N-tarjonnan välisen vastekäyrän asymptootin avulla; c on kaarevuustekijä. Ymax (joka on geneettisen potentiaalin mitta) ja c vaihtelevat vuodenaikojen ja kasvupaikkojen välillä, eikä niitä voida helposti soveltaa erilaisiin olosuhteisiin, mutta lähestymistavan avulla voidaan arvioida N-tarve (ks. Angus, 1995, keskustelu). Ymax:n saavuttaminen edellyttää oikean N-määrän (Nmax) syöttämistä, esimerkiksi jos 10 t ha-1 viljaa viljellään Nmax:n ollessa 2 % N (yhteensä 200 kg N) ja 10 t ha-1 olkea Nmax:n ollessa 0,5 % N (yhteensä 50 kg N), koko satoa varten tarvitaan 250 kg ha-1 . Tämä vastaa myös sadon N-tarvetta, ja se on samaistettavissa geneettiseen potentiaaliin N:n hyväksikäytön ja sadontuotannon osalta. Jos kasvissa olevan N:n (Nmin) erotus on pienempi kuin Nmax, tarvittava N (tarve, D) saadaan kaavalla D=(Nmax-Nmin)×kasvin massa. Tämä antaa yksinkertaisen arvion N-tarpeesta, mutta sen on perustuttava pitkäaikaisten toistuvien mittausten keskiarvoihin.
N-tilan ja aineenvaihdunnan indikaattorit maataloudessa
Kun otetaan huomioon tarve säätää viljelykasvien N-annostelujen määrää ja ajoitusta tuotannon ja tehokkuuden lisäämiseksi ja pilaantumisen vähentämiseksi, on loogista mitata kasvin N:ää N-tarpeen osoittamiseksi (Neeteson, 1995). Maaperässä olevan N:n mittaaminen ei ole yhtä suoraviivaista, eikä se välttämättä kuvasta viljelyprosessien dynamiikkaa eikä ympäristön vaikutusta viljelykasveihin. N:n mittaamisen on oltava nopeaa, helppoa ja tehokasta sekä edullista. Koska lehdet sisältävät suuren osan sadon N:stä, mitataan yleensä kokonaistyppeä tai N-tarjontaan läheisesti liittyviä komponentteja, jotka reagoivat nopeasti muuttuvaan N-tarjontaan ja sen suhteeseen kysyntään. Kokonaistyppeä koskeva analyysi on hidas, sillä se edellyttää näytteenottoa ja kudosten valmistelua sekä erikoistuneita analyysilaitteita, joten sitä ei yleensä käytetä typpidynamiikan mittaamiseen. Nopeat kolorimetriset testit
-pitoisuuden (joka riippuu
tarjonnasta ja kysynnästä) määrittämiseksi pienistä näytteistä ilmaistusta mehusta voidaan tehdä kentällä, ovat nopeita ja edullisia, ja niitä on pidetty käyttökelpoisena N-tilan indikaattorina, mutta niitä ei ole laajalti käytetty N:n käytön ohjeena (Neeteson, 1995). Klorofyllipitoisuus, joka liittyy vahvasti N:n tarjontaan, voidaan mitata kentällä fotometrillä, kuten Minolta SPAD-502 -klorofyllimittarilla (Minolta Camera Company, Ramsey, NJ, USA), joka on nopea ja toistettavissa. SPAD-lukemat kalibroidaan siten, että saadaan lehtien klorofyllipitoisuus, tai ne korreloidaan suoraan kasvin suorituskyvyn kanssa (Peltonen ym. 1995), mikä tarjoaa käytännöllisen menetelmän N-tilan ja N-tarpeen arvioimiseksi, vaikkakin vähemmän dynaamisen menetelmän kuin
-pitoisuutta koskevat testit. Tällaisia biokemialliseen ja fysiologiseen ymmärrykseen perustuvia lähestymistapoja olisi edistettävä.
Typen mallintaminen ympäristössä ja kasveissa
N-vastekäyrien käyttö on ollut erittäin hyödyllistä viljelykasvien typen tarpeen arvioinnissa (Angus, 1995). Tällaiset menetelmät ovat kuitenkin yleistyksiä, joissa ei voida helposti ottaa huomioon viljelykasvien välisiä eroja eri paikoissa ja eri vuosina, jotka johtuvat vaihtelevasta typen tarjonnasta ja säästä, joka vaikuttaa viljelykasvien kysyntään, typpihäviöihin jne. Dynaamiset lähestymistavat ovat välttämättömiä, jotta voidaan reagoida nopeasti ja ”hienosäätää” tarjonta kysyntään. Näiden prosessien mallit ovat hyvin kehittyneitä, ja niitä käytetään laajalti typpilannoitteiden käyttösuositusten antamiseen (esim. päätöksenteon tukijärjestelmissä), typen käytön tehokkuuden lisäämiseen ja saastumisen vähentämiseen (Addiscott et al., 1995). Malleja on parannettava, ja niissä on erityisesti käsiteltävä viljelykasvien prosesseja (esim. kasvunopeuksia, jotka voidaan mitata tai mallintaa lämpötilan perusteella) lyhyellä aikavälillä, jotta voidaan arvioida N-tarvetta tiettyinä ajankohtina tai viljelykasvien kasvuvaiheissa. Biokemiallista tietoa on hyödynnetty simulointimalleissa suhteellisen vähän mekanismien ymmärtämisen edistämiseksi ja myös N:n käytön parantamiseksi (ajoitus ja määrä).
Simulointimallinnuksen tärkeimpiä rajoitteita ovat: riittämätön kvantitatiivinen ymmärrys mekanismien yksittäisistä osista (entsyymien ominaisuudet, välituotteiden poolien koot), heikko tietämys eri mekanismien välisistä yhteyksistä (C:n ja N:n assimilaation välinen yhteys, kuljetus kasvin sisällä) ja vaikeus suhteuttaa lyhytaikaisia perusaineenvaihdunnan mittaustapahtumia viljelykasvien yleisiin vasteisiin. Järjestelmän monimutkaisuus estää todella ”mekanististen” simulointimallien kehittämisen ja herättää kysymyksen, kuinka monimutkainen malli voi olla, jotta se olisi ymmärrettävä, vakaa ja testattavissa? Monimutkaiset aineenvaihduntamallit ovat arvokkaita mekanismien tutkimiseksi ja kvantifioimiseksi sekä sen osoittamiseksi, mitä tietoja tarvitaan (Evans ja von Caemmerer, 2000). Kokemus on osoittanut, että hyvin monimutkaisten mallien arvo on käytännössä rajallinen. Mallit sisältävät yleensä empiirisiä suhteita, jotka hyvin testattuina voivat tarjota hyväksyttävän tarkkuuden sovelluksessa. N:n käytön tehokkuuden parantamiseksi tarvitaan enemmän ponnisteluja sellaisten simulointimallien kehittämiseksi ja parantamiseksi, jotka perustuvat empiirisiin suhteisiin ja sisältävät biokemiallista tietoa.
Tulevaisuuden mahdollisuudet
Todennäköistä on, että kasvintuotantoon liittyvät prosessit ovat hyvin monimutkaisia ja monikerroksisia ja ulottuvat molekyyleistä koko organismiin, ja ympäristötekijät vaikuttavat kaikilla organisaation tasoilla. Olennaista on, että kun N:n tarjonta on vähäisempää kuin geneettisen potentiaalin saavuttaminen edellyttää, N:n ottoa on lisättävä suuremman biomassan saamiseksi. Tämä voidaan tehdä joko lisäämällä hyödynnettävän maaperän tilavuutta ja vähentämällä diffuusiorajoituksia suuremmalla juuriston tiheydellä tai lisäämällä juuren affiniteettia N:ää kohtaan. Vaihtoehtoisesti C-assimilaatiota kertyneen N:n yksikköä kohti voitaisiin lisätä, jolloin pienemmästä N-kertymästä saataisiin suurempi biomassa. Biomassan geneettisen potentiaalin lisääminen voitaisiin teoriassa saavuttaa lisäämällä C-assimilaatiota kertynyttä N-yksikköä kohti C/N-suhteen kasvun kustannuksella. Tämä edellyttää, että saatavilla olisi riittävästi valoenergiaa, mikä on epätodennäköistä, koska lähes kaikki energia imeytyy nyt täydessä latvustossa. Jos typpeä assimiloitaisiin enemmän, mutta ilman, että C-assimilaation tasapaino muuttuisi, tämä teoriassa lisäisi biomassaa ja säilyttäisi nykyisen C/N-suhteen. Tällöin valon rajoittuminen olisi kuitenkin todennäköistä. Vaihtoehtoisesti biomassaa voitaisiin lisätä pidentämällä valon imeytymisaikaa (pidempi kasvukausi) ja valon tehokasta käyttöä (vihreänä pysyvät genotyypit). Ensin mainittu on yksi tärkeimmistä syistä siihen, että talvivehnän biomassa ja sato ovat suurempia kuin kevätvehnän. Myös jälkimmäistä hyödynnetään.
Ymmärrys siitä, miten prosessit reagoivat N:ään, on avainasemassa tuotannon ja N:n käytön tehokkuuden parantamisessa, ja se on olennaista, jos geneettistä potentiaalia halutaan lisätä (Sheehy et al., 2000). Koko kasvin, joka on maatalousjärjestelmien keskeinen elementti, reagointia ympäristöolosuhteisiin voidaan ymmärtää vain, jos järjestelmän organisaatiota arvostetaan. Lisäksi on arvioitava ympäristötekijät, jotka ohjaavat N:n saantia. Kaikkia näkökohtia on kuitenkin mahdotonta analysoida yhdessä tutkimusohjelmassa erilaisissa olosuhteissa tai yhdistää niitä käytännön soveltamista varten, minkä vuoksi tarvitaan mallintamista. Tämä on johtanut erilaisiin käsityksiin siitä, miten käsitellä ”ongelmaa”, joka koskee typen tarpeen ymmärtämistä ja typen käyttöä maataloustuotteiden laadun ja määrän muuttamiseksi ja parantamiseksi. Ääripäinä ovat reduktionistinen ja agronominen lähestymistapa. Reduktionistisessa lähestymistavassa katsotaan, että perimän rakenteen tuntemus antaa riittävästi tietoa, jotta kasvien ominaisuuksia voidaan muuttaa valittuun suuntaan, jotta voidaan parantaa reagointia typpiin ja lisätä maatalousjärjestelmien tuottavuutta, tehokkuutta ja satopotentiaalia. Tällainen näkemys näyttää olevan hyväksytty molekyylibiologien ja geeniteknikkojen keskuudessa (Matsuoka et al., 2000). Tällä hetkellä paljon työtä ja innostusta kohdistetaan kasvien genomien ymmärtämiseen, ja toiveet elintarviketuotannon lisäämisestä kohdistuvat geneettiseen muuntamiseen geneettisen potentiaalin lisäämiseksi. Kun otetaan huomioon kasvien monimutkainen osajärjestelmäluonne ja huomattava vuorovaikutus ympäristön kanssa. Pidän tätä näkemystä huonosti perusteltuna ja kestämättömänä jopa lievemmässä muodossaan. Biokemian rooli nähtiin aikoinaan samalla tavalla (esim. kasvintuotannon säätely nitraattireduktaasin aktiivisuudella), mutta käytännössä siitä seurasi suhteellisen vähän spesifisiä muutoksia ja agronomisia parannuksia. Biokemialliset ajatukset ja tiedot ovat olleet olennaisia kasvi-ympäristö-järjestelmän ymmärtämisessä. Nykyiset käsitykset ovat vuorovaikutteisia ja dynaamisia biokemiallisia järjestelmiä, joissa on monia takaisinsyöttöisiä ja eteenpäin suuntautuvia säätelyprosesseja, jotka takaavat aineenvaihdunnan, kasvun jne. vakauden ja joustavuuden, mutta joita voi olla vaikeampi muuttaa tietyillä tavoilla kuin oletetaan. Agronominen lähestymistapa on pohjimmiltaan empiirinen, ja se perustuu maksimaalisen (tai optimaalisen) tuotannon edellyttämien tuotantopanosten kokeelliseen määrittelyyn: tämä perinteinen menetelmä on menestyksekäs, mutta alueellisesti ja ajallisesti rajallinen ja siten spesifinen, joten se on siirrettävissä vain yleisellä tasolla. Tämä ei ole sitä, mitä tarvitaan resurssien hienosäätöön tuotannon kanssa maataloudessa, ja se on johtanut siihen, ettei ole pystytty hyödyntämään mekanistisempaa biokemiallista ymmärrystä (ehkä yhdistettynä simulointimallinnukseen) tehokkuuden parantamiseksi ja saastumisen vähentämiseksi jne.
Satopotentiaalin kasvu viimeisten 50 vuoden aikana on syntynyt empiirisen valintajalostuksen tuloksena, kun biokemiallinen ja fysiologinen panos on johtanut parempaan ymmärrykseen prosesseista (kuten prosesseista, jotka säätelevät viljan proteiinilaatua ja tautien vastustuskykyä jne.) ja valintakriteereistä, ja analyyttiset menetelmät ovat parantuneet huomattavasti. Valintajalostus yhdistää suurelta osin geneettisen tiedon uudelleen ja valitsee ”lopputuotteet”, kuten jyvän määrän ja laadun. Tämä menettely johtaa sellaisten biokemiallisten prosessien ja niiden yhdistelmien valintaan, jotka optimoivat osajärjestelmän toimintaa, mutta se käsittelee järjestelmää lähinnä ”mustana laatikkona”. Vaikka tällä lähestymistavalla saavutetaan todennäköisesti suurin osa viljelykasvien ominaisuuksien parantamisesta vielä vuosien ajan, on hyödynnettävä molekyylibiologian tarjoamia mahdollisuuksia muuttaa genomia ja siten biokemiallisia perusprosesseja. Onnistuakseen se edellyttää kuitenkin biokemiallisten prosessien ja niiden vuorovaikutuksen ymmärtämistä ympäristön kanssa (Snape, 1996). Geenitekniikka muuttaa järjestelmää tietyissä kohdissa, jotka on tunnistettu keskeisiksi tai rajoittaviksi vaiheiksi aineenvaihdunnassa. N:n käytön tehokkuutta tai jyvän satoa tai laatua varten ei kuitenkaan ole olemassa yhtä geeniä, vaan monia geenejä, jotka koodaavat proteiineja, jotka määräävät eri biokemiallisten ja fysiologisten osajärjestelmien rakenteet ja käyttäytymisen. On siis todennäköistä (ja nykyään usein osoitettu), että genomin muutokset eivät aiheuta tässä käsitellyn tyyppisiä suuria muutoksia perusaineenvaihdunnassa (Paul ja Lawlor, 2000). Lisäksi reaktio ympäristöolosuhteisiin voi olla monimutkainen ja sisältää mainittuja G×C-vuorovaikutuksia, mikä edellyttää käsitteen siirtämistä genomista genomiin ympäristössä (Sheehy ym., 2000). Ellei tätä ymmärretä nopeasti, nykyinen kasvien biokemiallisen ja fysiologisen asiantuntemuksen menettäminen monissa maissa molekyylibiologian hyväksi vääristää tietopohjaa. Se heikentää huomattavasti perinteisempiä menetelmiä, joilla pyritään ratkaisemaan tuotannon parantamista koskeva perusongelma hidastamalla lannoitetekniikan nykyisen tietämyksen soveltamista. Se estää myös sellaisten lähestymistapojen parantamisen, joilla on todennäköisesti suuri vaikutus elintarvikkeiden tarjontaan seuraavan puolen vuosisadan aikana, jolloin kysyntä kasvaa nopeimmin. Tarvitaan molekulaarisen, biokemiallisen ja fysiologisen tiedon yhdistämistä, jotta viljelykasvien parantamismahdollisuuksia voidaan arvioida tehokkaasti.
Johtopäätöksenä voidaan todeta, että kasvintuotanto on täysin riippuvainen N:n saannista sopivina määrinä kasvun kannalta oikeaan aikaan. Tämä on seurausta proteiineihin perustuvista aineenvaihduntatapahtumista, joissa valoenergiaa käytetään hiilidioksidin ja
pelkistämiseen ja assimilaattien synteesiin, joita käytetään vegetatiivisessa ja lisääntymiskasvussa ja sadon muodostumisessa. Satoon johtavien monien prosessien väliset suhteet ovat kuitenkin monimutkaisia, ja vaikka ne ovat geneettisesti määräytyneitä, ympäristö, erityisesti typen saanti, vaikuttaa niihin huomattavasti. Kasvien tuotantoa, satoa ja tehokkuutta määrittävien mekanismien ymmärtäminen on pitkälle kehittynyttä, mutta niitä ei hyödynnetä riittävästi maataloudessa, vaikka on olemassa keinoja tiedon soveltamiseksi. Biomassan lisäämiseksi tarvittavat muutokset viljelykasveihin ovat vähäisen typensaannin varassa: (a) lisätä kokonais-N:n kertymistä lisäämällä hyödynnettävän maaperän tilavuutta, juuriston tiheyttä ja juuriston pinnan affiniteettia
. Näin säilytetään viljelykasvin nykyinen C/N-suhde; b) lisätään C-assimilaatiota N-yksikköä kohti, mikä lisää biomassaa ja C/N-suhdetta. Kun N:n hyväksikäyttö on vähäistä ja LAI alle 3, valoenergia ei olisi rajoittava tekijä (a) tai (b); molempia lähestymistapoja voitaisiin käyttää. Kun N:n tarjonta ja saanti on runsasta, mahdollisuudet ovat seuraavat: (c) lisätä C-assimilaatiota N-yksikköä kohti, jolloin biomassa ja C/N-suhde kasvavat, tai (d) lisätä aktiivisiin komponentteihin kertyvää N:ää, mutta säilyttää sama C-assimilaatio, jolloin biomassa kasvaa ja C/N-suhde säilyy ennallaan. Molemmissa oletetaan, että energiaa on saatavilla riittävästi, mikä on epätodennäköistä suurella LAI:lla, ja että CO2 ei ole rajoittava tekijä. Tällä hetkellä se rajoittaa, eikä ilmakehän hiilidioksidin lisääntymisnopeus todennäköisesti ole riittävän nopea tai suuri, jotta tuotantoa voitaisiin kasvattaa geneettisen potentiaalin mukaiseksi kohonneessa hiilidioksidipitoisuudessa. Näin ollen viljelykasvien kasvun ja sadon geneettisen potentiaalin lisääminen on tarpeen, kun N-tarjonta vastaa kysyntää, mutta keinot tämän toteuttamiseksi ovat epäselviä. Fotosynteesin tehokkuuden lisääminen N- tai valoyksikköä kohti ei ole yksinkertainen tehtävä. Perusaineenvaihdunnassa kasvinjalostuksen aikaansaamien parannusten aikana tapahtuvia muutoksia ei tunneta, eikä niistä voida päätellä, mitkä rajoitukset on voitettu geneettisen satopotentiaalin parantamiseksi. Ne ovat suurelta osin liittyneet viljan kasvukyvyn lisäämiseen samalla kun kasvullinen kasvu on vähentynyt ja C- ja N-aineenvaihdunnan kyky tuottaa viljaa on säilynyt ennallaan ja kasvukautta on pidennetty. C- ja N-aineenvaihdunnan perusparannuksia ei ole dokumentoitu. Analyysi kasvien aineenvaihdunnallisista ja fysiologisista näkökohdista, jotka liittyvät
tarjontaan ja lämpötilaan, osoittaa monien sellaisten prosessien vuorovaikutuksen, jotka määrittelevät kasvien vasteen N:lle. Tällaiset tiedot ovat tärkeitä sellaisten menetelmien kehittämiseksi, joilla parannetaan N:n käyttöä viljelykasveissa, jalostuksessa ja arvioitaessa geneettisen manipuloinnin mahdollisuuksia N:n käytön tehokkuuden ja geneettisen sadonkorjuun parantamiseksi. Genotyypin ja ympäristön vuorovaikutuksen arviointi on olennaisen tärkeää. Analyysi viittaa siihen, että N:n hyväksikäytön lisääminen edellyttää muutoksia juurijärjestelmissä ja
-kuljettajien
affiniteetissa. N:n käytön tehostaminen fotosynteesissä edellyttäisi huomattavia muutoksia fotosynteettisessä aineenvaihdunnassa. Geneettisen satopotentiaalin parantaminen on suuri ja pitkäaikainen tehtävä, jota ei todennäköisesti voida saavuttaa nykyisellä geenitekniikalla. Valintajalostuksen ja molekyylimenetelmien yhdistelmä voi tarjota keinoja parantaa N-käytön tehokkuutta ja geneettistä potentiaalia.
Kiitokset
Olen kiitollinen erikoisjulkaisun toimittajille kutsusta ja suopeudesta käsikirjoituksen tuottamisen aikana. Erityisen kiitoksen ansaitsevat myös kaikki kollegani, joita ei ole nimetty mutta joita ei ole unohdettu ja jotka ovat monien vuosien ajan myötävaikuttaneet tähän työhön.
,
,
.
.
. Wallingford: CAB International.
.
.
. In:
, toim.
.
:
,
–
.
,
,
,
.
.
.
,
–
.
(toim.).
.
. New York: Marcel Dekker, Inc.
,
,
,
.
.
. In:
,
, eds.
.
:
,
–
.
,
.
.
. In:
, toim.
.
:
,
–
.
.
.
lippulehdessä.
,
–
.
,
.
.
.
,
–
.
, von
.
.
In:
,
,
, eds.
.
:
,
–
.
.
.
. Cambridge: Cambridge University Press.
, Ferrario-
,
.
.
. In:
,
, eds.
.
:
,
–
.
,
.
.
. In:
,
, eds.
.
:
,
–
.
,
.
.
. In:
,
, Mc
, eds.
.
:
,
–
.
,
,
,
,
,
,
,
,
.
.
. In:
,
,
, eds.
.
:
,
–
.
Kutík J, Nátr L, Demmers-
,
.
.
.
,
–
.
.
.
. In:
,
, eds.
. T
:
,
–
.
,
,
,
.
a. Nitraattiravinnon ja lämpötilan vaikutukset vehnään: entsyymikoostumus, lehtien nitraatti- ja kokonaisaminohappopitoisuus.
,
–
.
,
,
,
,
.
b. Nitraattiravinnon ja lämpötilan vaikutukset vehnään: lehtien fotosynteesi ja fotorespiraatio.
,
–
.
,
,
,
,
.
c. Nitraattiravinnon ja lämpötilan vaikutukset vehnään: lehtien liukoiset komponentit ja hiilivirrat aminohapoiksi ja sakkaroosiksi.
,
–
.
,
,
,
,
.
.
.
,
–
.
,
,
.
.
.
,
–
.
,
,
.
.
. In:
,
, eds.
.
:
,
–
.
,
,
.
.
.
,
–
.
,
. (toim.)
.
.
:
.
, de
.
.
. In:
,
, eds.
.
:
,
–
.
Mächler F,
,
, Nösberger J.
.
.
,
–
.
,
,
,
.
.
.
,
–
.
,
, Larsson C-M,
.
.
tarjontaan ja imeytymiseen: Vertailu suhteellisen lisäysnopeuden ja ulkoisen konsentraation välillä ohjaavina muuttujina
.
,
–
.
,
,
,
,
, Ku MSB,
.
.
. In:
,
,
, eds.
.
:
,
–
.
.
.
.
,
–
.
,
.
.
kasvussa.
,
–
.
,
,
.
.
.
,
–
.
Mitchell RAC,
, Parry MAJ,
.
. Voidaanko vehnän RuBP-regenerointi- ja karboksylaatiokapasiteetin välistä tasapainoa parantaa korotetussa CO2:ssa?
,
–
.
.
.
.
,
–
.
,
,
.
.
.
,
–
.
.
.
. In:
, toim.
.
:
,
–
.
,
.
.
.
,
–
.
,
,
,
.
.
. In:
,
, eds.
.
:
,
–
.
,
. (toim.)
.
.
, Special Issue,
–
.
,
,
.
.
.
,
–
.
,
,
.
.
.
,
–
.
.
.
. In:
,
, Mc
, eds.
.
:
,
–
.
,
,
.
.
.
,
–
.
,
,
. (toim.)
.
. Amsterdam: Elsevier Science bv.
,
,
.
.
. In:
,
, Mc
, eds.
.
:
,
–
.
.
.
. In:
,
,
, eds.
.
:
,
–
.
, Mitchell RAC, Parry MAF,
.
.
.
,
–
.
,
,
.
.
. In:
,
, eds.
.
:
,
–
.
Tekijän huomautukset
.