- Abstract
- Wprowadzenie: ramy koncepcyjne
- N-nawozy i poprawa rolnictwa
- Fotosyntetyczna asymilacja węgla i azotu oraz zaopatrzenie w N
- AsymilacjaCO2
- Pobór i asymilacja azotanów
- Wzrost i skład liści
- Wzrost plonu, plon i N
- Potencjał genetyczny
- Krzywe odpowiedzi N
- Wskaźniki stanu i metabolizmu N w rolnictwie
- Modelowanie azotu w środowisku i roślinie
- Możliwości na przyszłość
- Podziękowania
- Notatki o autorze
Abstract
Poprawa zrozumienia systemów produkcji roślinnej w odniesieniu do podaży N pochodzi z wiedzy o podstawowej biochemii i fizjologii roślin. Ekspresja genów prowadzi do syntezy białek i tworzenia systemów metabolicznych; wynikający z tego metabolizm określa zdolność do wzrostu, rozwoju i produkcji plonów. Stanowi to potencjał genetyczny. Procesy te określają wymagania dotyczące zaopatrzenia w zasoby. Interakcje pomiędzy asymilacją dwutlenku węgla (CO2) i azotanów (
stymuluje wzrost liści i fotosyntezę, pierwszą poprzez wzrost i podział komórek, drugą poprzez większą zawartość składników reakcji świetlnych, a także tych związanych z asymilacją CO2 i procesów pokrewnych. Jeśli podaż zasobów przekracza zapotrzebowanie określone przez potencjał genetyczny, produkcja jest maksymalna, ale jeśli jest mniejsza, to potencjał nie jest osiągnięty; dopasowanie zasobów do potencjału jest celem rolnictwa. Jednakże związek pomiędzy metabolizmem a plonami jest słabo określony ilościowo. Charakterystyka biochemiczna i modele symulacyjne muszą być lepiej wykorzystane i połączone w celu poprawy stosowania nawozów azotowych, efektywności wykorzystania azotu i plonów. Zwiększenie poboru N przy niewystarczającej podaży N poprzez zwiększenie objętości i gęstości ukorzenienia jest wykonalne, zwiększenie powinowactwa jest mniej możliwe. Zwiększyłoby to biomasę i stosunek N/C. Przy odpowiedniej ilości N, przy pełnym potencjale genetycznym, większa ilość C-asymilacji na jednostkę N zwiększyłaby biomasę, ale energia byłaby ograniczająca przy pełnym baldachimie. Zwiększenie asymilacji C na jednostkę N zwiększyłoby biomasę, ale zmniejszyłoby N/C zarówno przy dużej jak i małej podaży N. Zwiększenie produkcji wszystkich składników biochemicznych zwiększyłoby biomasę i zapotrzebowanie na N oraz utrzymałoby stosunek N/C. Zmiana C- lub N-asymilacji wymaga modyfikacji wielu procesów w celu osiągnięcia poprawy w całym systemie; inżynieria genetyczna/biologiczne zmiany molekularne w pojedynczych etapach centralnego metabolizmu są mało prawdopodobne, aby to osiągnąć, ponieważ cele są niejasne, a także z powodu złożonych interakcji między procesami i środowiskiem. Osiągnięcie długoterminowych celów poprawy wykorzystania N i plonów przy mniejszych nakładach i mniejszym zanieczyszczeniu, przez agronomię, hodowlę lub inżynierię genetyczną, wymaga lepszego zrozumienia całego systemu, od genów przez metabolizm do plonów.
Wprowadzenie: ramy koncepcyjne
Podczas autokatalitycznego cyklu wzrostu i reprodukcji roślin wyższych, zarodek w nasieniu rośnie, w odpowiednich warunkach, tworząc roślinę z liśćmi i korzeniami. Liście zawierają złożoną biochemiczną maszynerię fotosyntetyczną zdolną do wychwytywania światła i wykorzystywania energii do redukcyjnej asymilacji dwutlenku węgla (CO2) i jonów azotanowych (
) z tworzeniem odpowiednio węglowodanów i aminokwasów (Foyer i in., 2001; Lawlor, 1994). Korzenie pobierają wodę i mineralne składniki odżywcze, które są potrzebne do metabolizmu; tutaj skupiamy się na dostarczaniu azotu. Dla uproszczenia omówiono tylko dostarczanie i metabolizm azotanu: rola amoniaku jako NH3 lub jako
Ten przegląd próbuje zebrać różne aspekty metabolizmu roślin i fizjologii i roli N w procesach prowadzących do produkcji plonów. Podkreśla znaczenie mechanistycznego zrozumienia wszystkich części systemu, a w szczególności integracji wiedzy, jeśli ogólne cele większej produkcji roślinnej z minimalnym wykorzystaniem N bez zanieczyszczenia środowiska mają być osiągnięte. Argumentuje się, że nadmierna koncentracja na poszczególnych częściach systemu prowadzi do złej oceny procesów potencjalnie ograniczających i zaniedbania procesów ważnych.
Schematyczny schemat interakcji pomiędzy różnymi procesami i podsystemami w roślinie prowadzącymi do produkcji suchej masy i plonu (z Lawlor, 1994). Światło dostarcza energii do fotosyntetycznej asymilacji atmosferycznego CO2 w liściu, produkując asymilaty węglowe (węgiel), które są wykorzystywane w redukcji azotanów (NR) w liściu (a także w korzeniu). Asymilat
jest pozyskiwany z gleby. W roślinie produkowane asymilaty węglowe i aminokwasy są rozprowadzane do rosnących organów, gdzie dostarczają substratów dla wszystkich aspektów metabolizmu i wzrostu. Jeśli podaż asymilatów jest mniejsza niż zapotrzebowanie, wówczas metabolizm, skład tkanek i wzrost są zaburzone. W przypadku nadmiaru gromadzą się aminokwasy i inne metabolity oraz azotany. Aby zwiększyć wzrost roślin, gdy N jest ograniczony, należy pobrać więcej
. Gdy pobranie N jest większe niż zapotrzebowanie, wtedy wzrost jest na poziomie potencjału i w organach rosnących musi powstać dodatkowa pojemność.
Schematyczny schemat interakcji pomiędzy różnymi procesami i podsystemami w roślinie prowadzącymi do produkcji suchej masy i plonu (z Lawlor, 1994). Światło dostarcza energii do fotosyntetycznej asymilacji atmosferycznego CO2 w liściu, produkując asymilaty węglowe (węgiel), które są wykorzystywane w redukcji azotanów (NR) w liściu (a także w korzeniu). Asymilat
pozyskiwany jest z gleby. W roślinie produkowane asymilaty węglowe i aminokwasy są rozprowadzane do rosnących organów, gdzie dostarczają substratów dla wszystkich aspektów metabolizmu i wzrostu. Jeśli podaż asymilatów jest mniejsza niż zapotrzebowanie, wówczas metabolizm, skład tkanek i wzrost są zaburzone. W przypadku nadmiaru gromadzą się aminokwasy i inne metabolity oraz azotany. Aby zwiększyć wzrost roślin, gdy N jest ograniczony, należy pobrać więcej
. Kiedy pobór N jest większy niż zapotrzebowanie, wtedy wzrost jest na poziomie potencjału i dodatkowa pojemność musi być utworzona w organach rosnących.
N-nawozy i poprawa rolnictwa
Potrzeba lepszego zrozumienia podstawowych mechanizmów związanych z N do produkcji roślinnej i poprawy wykorzystania N jest pokazana przez rozważenie obecnej sytuacji światowego rolnictwa i jego zależności od przemysłowo produkowanych nawozów N (Bacon, 1995). Rolnictwo wykorzystuje obecnie znaczną część najbardziej żyznej ziemi na Ziemi, zużywa dużą część dostępnej wody i wymaga znacznych nakładów nawozów. Niektóre z nich (np. fosforany) są wydobywane, ale nieorganiczny N pochodzi z przemysłowej konwersji N2 do NH3 w celu wytworzenia mocznika, azotanów itp. Przemysłowe wiązanie N jest zbliżone do naturalnego wiązania N2 w biosferze. Istnieje potrzeba większej produkcji żywności bez zwiększania powierzchni gruntów rolnych (ograniczonej innymi czynnikami, takimi jak zaopatrzenie w wodę) oraz przy użyciu mniejszej ilości nawozów, do syntezy których zużywa się duże ilości energii z paliw kopalnych. Zmniejszone użycie mniejszej ilości nawozów N zmniejszy koszty i zanieczyszczenie środowiska, które jest konsekwencją metod syntezy oraz nieefektywnego stosowania i pobierania przez uprawy; osiągnięcie tych celów jest pilnie wymagane (Ter Steege et al., 2001). Ograniczenie stosowania nawozów jest jednak sprzeczne z potrzebą zwiększenia plonów roślin uprawnych. Plony głównych produktów podstawowych, na przykład pszenicy, nie zwiększyły się w ciągu ostatniej dekady (Evans, 1998). Tak więc, wraz z rosnącym zapotrzebowaniem na żywność ze strony szybko rosnącej populacji ludzkiej, potencjał niedoborów żywności na całym świecie musi wzrosnąć. Aby przezwyciężyć potencjalnie niebezpieczne problemy społeczne związane z niedoborem żywności oraz degradacją i zanieczyszczeniem środowiska, należy zwiększyć plony rolne na jednostkę powierzchni ziemi przy jednoczesnym zmniejszeniu zależności od stosowanych nawozów (Evans, 1998). Duża część światowego rolnictwa wykorzystuje nawóz N bardzo nieefektywnie (nawet w rozwiniętych gospodarkach) często dlatego, że inne warunki środowiskowe są ograniczające, więc poprawa środowiska upraw i technologii stosowania nawozów N, jak również zastosowanie obecnych najlepszych praktyk, mogłoby zmniejszyć straty i zwiększyć produkcję (Bacon, 1995). Obecna wiedza o tym, jak rośliny metabolizują N i jak zachowuje się N w środowisku, jest prawdopodobnie wystarczająca do tego celu, chociaż wymagane są ulepszenia w zrozumieniu systemu jako całości (patrz dalsza dyskusja na temat modelowania). Pożądana byłaby poprawa potencjału genetycznego plonów, który nie został ulepszony przez dziesięciolecia hodowli selekcyjnej, w celu osiągnięcia lepszej całkowitej produkcji przy mniejszej ilości N i innych zasobów (patrz dyskusje dotyczące zwiększenia produkcji ryżu w Sheehy et al., 2000). Jednak nawet gdyby było to możliwe, wymagałoby to zintensyfikowanej hodowli selekcyjnej. W przypadku modyfikacji genetycznej, pomimo pewnych dowodów powodzenia (Ku et al., 2000), prawdopodobnie wymagany jest znacznie większy wkład wiedzy fachowej i wsparcia finansowego oraz dalszy rozwój technologiczny, ponieważ obecna technologia jest stosunkowo niesprawdzona (Matsuoka et al., 2000), a czas potrzebny do jej skutecznego zastosowania jest prawdopodobnie długi. Prawdopodobieństwo sukcesu jest trudne do oszacowania; dotyczy to również hodowli selekcyjnej ze względu na znacznie wolniejsze lub nieistniejące tempo wzrostu plonów i potencjału plonowania. Cechy genetyczne mogą być specjalnie zmienione w celu zwiększenia produkcji i jej wydajności, ale cele modyfikacji muszą być jasno określone. Zastosowanie technik molekularnych pomoże w tym oraz w programach hodowlanych, a główne geny i loci cech ilościowych kontrolujące cechy agronomiczne zostaną zidentyfikowane i umieszczone na obszernych mapach genetycznych (Snape, 1996). Jednakże rola N w uprawach jest tak fundamentalna, że podejścia te muszą być połączone ze szczegółowym zrozumieniem biochemii i fizjologii roślin.
Fotosyntetyczna asymilacja węgla i azotu oraz zaopatrzenie w N
Rola N w produkcji rolnej jest ściśle związana z fotosyntezą. W fotosyntezie „energia fizyczna” fotonów jest przekształcana w „energię chemiczną” ATP i zredukowanych pośredników metabolicznych, głównie NADPH, które są wykorzystywane w syntezie asymilatów węgla i azotu wielu różnych typów, zwłaszcza węglowodanów i aminokwasów (Foyer i in., 2001). Te z kolei „napędzają” syntezę biochemicznych składników organów i ostatecznie stanowią o strukturze całej rośliny (Lawlor i in. 2001). Podstawowe mechanizmy produkcji asymilatów są rozważane, ponieważ są one kluczowe dla zrozumienia produkcji roślinnej.
AsymilacjaCO2
AsymilacjaCO2 w odniesieniu do składu liści i dostawy N została obszernie omówiona (Evans, 1983; Sage i in., 1987; Lawlor i in., 2001) i może być podsumowana w ten sposób: N determinuje syntezę aminokwasów, a tym samym białek (patrz dalej) i, ostatecznie, wszystkich składników komórkowych. Szybkie tempo asymilacji CO2 wymaga odpowiednio dużych ilości wielu składników chloroplastów, szczególnie kompleksów chlorofilowo-białkowych (LHCP), składników tylakoidów odpowiedzialnych za transport elektronów i redukcję NADP+ oraz enzymu asymilującego CO2 – karboksylazy-oksygenazy bisfosforanu rybulozy (Rubisco), a także innych enzymów niezbędnych do asymilacji CO2 w zrębie. Podstawowe cechy (masa cząsteczkowa, struktura) białek są uwarunkowane genetycznie. Jednak wiele enzymów jest regulowanych w bardzo złożony sposób przez czynniki ¶rodowiskowe i ro¶linne (np. ¶wiatło i fosforylacja białek). Zarówno ilość, jak i aktywność białek oraz innych składników w organach, a także wielkość organów określają całkowitą zdolność metabolizmu. Aby osiągnąć duże tempo asymilacji CO2 na jednostkę powierzchni liścia, konieczna jest duża liczba cząsteczek składników. Niektóre białka mają dużą masę cząsteczkową w stosunku do swojej aktywności, tak że w liściach występują znaczne ilości białka (duża masa na jednostkę powierzchni liścia). Na przykład, aby efektywnie przechwytywać energię wykorzystywaną w fotosyntezie, potrzebna jest duża ilość chlorofilu na jednostkę powierzchni, który jest „wspierany” przez białka (kompleksy chlorofilowo-białkowe zbierające światło, LHCP, w tylakoidach), dlatego tylakoidy zawierają dużo N. Głównym białkiem chloroplastu i liścia (szczególnie u roślin C3; Evans, 1983; Sage i in.., 1987) jest Rubisco, które katalizuje reakcję pomiędzy CO2 i RuBP, dając początek fosforanowi triozy; jest on eksportowany ze zrębu chloroplastu do cytozolu, a następnie przekształcany w sacharozę. Rubisco ma niską wydajność katalityczną na masę białka, więc tempo asymilacji CO2 powszechnie określane w liściach C3 wymaga dużej ilości Rubisco. Ilość Rubisco może dochodzić do 8 g m-2 i stanowić do 30% N w liściach pszenicy oraz do 50% białka rozpuszczalnego (Lawlor i in., 1989). Aktywnie metabolizujące liście zawierają odpowiednio dużą zawartość N. Jeśli zaopatrzenie w N podczas wzrostu liści jest niższe niż wymagane do podtrzymania potencjalnego tempa syntezy białek itp., ilość tworzonych składników jest niewystarczająca do maksymalnej asymilacji CO2 (Lawlor i in., 1988, 1989). Oczywiście, sytuacja jest bardziej złożona niż to przedstawiono, ponieważ asymilacja CO2 zależy nie od ilości składników, ale od ich aktywności, która zależy od innych czynników. Jeśli na przykład zawartość Rubisco jest zmniejszona, to aktywność wzrasta, a więc ma tendencję do kompensowania tej zmiany. W niskiej temperaturze więcej Rubisco (oraz innych białek i składników) jest wymagane do utrzymania danego tempa asymilacji CO2, ponieważ aktywność metaboliczna spada z powodu wolniejszego tempa reakcji enzymatycznych (Lawlor et al., 1987b). Tak więc, istnieje znaczna elastyczność w rozwoju systemu fotosyntetycznego i w metabolizmie, jak również złożona interakcja ze środowiskiem.
Niedobór azotu ma ogromny wpływ na chloroplasty, w wielkości, składzie i funkcji. W porównaniu do tych z roślin uprawianych z dużą ilością N, są one mniejsze i bardziej płaskie, z mniejszą liczbą błon tylakoidowych, które są słabo ułożone i mniejszy stosunek granal do międzygraniastych tylakoidów, a udział stromy wzrasta, na przykład w ryżu (Laza i in., 1993) i buraka cukrowego (Kutik i in., 1995). Mniej jest LHCP, Rubisco i syntazy ATP (Theobald i in., 1998). Evans i Terashima wykazali jednak, że skład tylakoidów jest stosunkowo mało zależny od podaży N. Składniki tylakoidów, aktywność transportu elektronów i tempo ewolucji O2 przy nasyceniu CO2 wyrażone na podstawie chlorofilu są bardzo podobne w szpinaku uprawianym przy bardzo różnej podaży N (Evans i Terashima, 1987). Natomiast zawartość Rubisco i białek rozpuszczalnych na jednostkę chlorofilu była większa przy dużej zawartości N, co wskazuje, że przy niskiej zawartości N zdolność do asymilacji CO2 była mniejsza niż do transportu elektronów. W pszenicy stosunek Rubisco do chlorofilu jest względnie stały w całym zakresie traktowania N, chociaż wzrasta przy dużej zawartości N (Evans, 1983; Lawlor i in., 1989). Inni autorzy wykazali, że stosunek masowy Rubisco do całkowitego chlorofilu wzrastał wraz ze wzrostem podaży N bardziej niż stosunek syntazy ATP do chlorofilu (Nakano i in., 1997; Theobald i in., 1998). Stosunek chlorofilu a/b jest w dużej mierze niezmieniony przez podaż N, pomimo dużego spadku chlorofilu, co sugeruje, że podaż N nie reguluje ekspresji LHCP (który zawiera chlorofil b) w stosunku do innych komponentów kompleksu centrum reakcji i żniw świetlnych. Uogólniaj±c, można stwierdzić, że podaż N zmienia różnicowo ekspresję informacji genetycznej reguluj±cej skład chloroplastów, szczególnie ekspresję Rubisco i syntazy ATP, ale nie ekspresję składników błony tylakoidów (rys. 2). Możliwości zmiany mechanizmów fotosyntezy w celu zwiększenia asymilacji CO2 są aktywnie rozważane (Paul i Lawlor, 2000). Pewne wzrosty osiągnięto poprzez zmianę składu liści, nieoczekiwanie poprzez zmianę metabolizmu trehalozy, prawdopodobnie poprzez regulację rozwoju (Paul i in., 2001). Biorąc pod uwagę elastyczność składu i funkcji liści w odpowiedzi na warunki środowiskowe, takie jak światło, zmiany mające na celu poprawę wykorzystania N mogą być możliwe. Jednakże, jeśli obejmują one zwiększenie liczby, ale nie właściwości enzymów itp., wówczas masa białka wzrośnie, a tym samym zawartość N i zapotrzebowanie na N. Zwiększenie zawartości Rubisco niekoniecznie zwiększa asymilację CO2 na jednostkę powierzchni w liściach C3, nawet w jasnym świetle, z powodu innych ograniczeń (np. dostawy CO2) (Lawlor i in, 1987,a, b; Millard, 1988; Millard i Catt, 1988), więc zwiększenie ilości składników nie zawsze może być skuteczne.
Dostawa CO2 dla fotosyntezy C3 jest nieodpowiednia w obecnej atmosferze (360 μmol mol-1) i wskaźniki fotosyntezy i wzrostu upraw i plonów są zwiększone o c. 30% w warunkach Wielkiej Brytanii, jeśli to jest podwojone. Tak więc, poprzez tę prostą zmianę środowiskową, potencjał genetyczny (patrz dalej) jest osiągnięty. Jeśli efektywność asymilacji CO2 mogłaby zostać zwiększona w roślinach C3 poprzez wyeliminowanie fotoodpowietrzania, wtedy produktywność na jednostkę zgromadzonego N wzrosłaby. W obecnej atmosferze CO2, duża zawartość Rubisco, o niskiej aktywności katalitycznej, w liściach uprawianych z dużą ilością N była często zauważana i doprowadziła do koncepcji zmniejszenia ilości Rubisco lub zmiany jego właściwości (zmniejszenie ilości białka na miejsce aktywne, zwiększenie stanu aktywacji itp. Nie ma jednak dowodów na to, że jest to osiągalne (są też dowody na to, że takie zmiany głęboko hamują fotosyntezę). Ze względu na dużą ilość i niską aktywność Rubisco w liściach, zwłaszcza przy dużej podaży N, uznano ją za białko magazynowe: jest ona remobilizowana ze starszych liści i stanowi dużą część białka w rosnących liściach, gdy N jest ograniczany oraz do syntezy białek magazynowych, na przykład w ziarnie zbóż i bulwach ziemniaka (Lawlor i in., 1987,a, 1989; Millard, 1988; Millard i Catt, 1988) wspierając funkcję magazynowania. Argumentowano, że synteza białka jest nieefektywnym wykorzystaniem energii, ale biorąc pod uwagę potrzebę dużej zawartości Rubisco w roślinach C3 do asymilacji CO2, zwłaszcza przy wysokim oświetleniu, oraz jonowe i osmotyczne efekty magazynowania
i aminokwasów, mogą istnieć korzyści z syntezy Rubisco jako przejściowego magazynu obfitego N (Heilmeier i Monson, 1994). Nie należy zaniedbywać tych rozważań, gdy sugeruje się obniżenie zawartości Rubisco w celu poprawy efektywności wykorzystania N, np. w warunkach podwyższonego CO2 (Mitchell i in., 2000). Złożoność roli Rubisco i jej ścisła integracja z gospodarką N pszenicy jest pokazana przez zmienną równowagę pomiędzy utrzymaniem zdolności do asymilacji CO2 w starych liściach i remobilizacją Rubisco podczas starzenia się i wypełniania ziarna. Zmiany w tej równowadze mają duży wpływ na plon i skład ziarna. Niedobór N szczególnie wpływa na te procesy, zmniejszając całkowitą asymilację, ponieważ liście żyją krócej, starzeją się i tracą kompetencje fotosyntetyczne szybciej niż przy jego obfitości, ze względu na remobilizację N do organów rosnących (Brouqisse i in., 2001); poprawa efektywnej żywotności liści poprzez aplikację N (Lawlor i in., 1989) lub hodowlę (Sheehy i in., 2000) jest sprawdzoną metodą zwiększenia plonu. Mimo, że takie interakcje zostały dobrze opisane, istnieje potrzeba lepszego określenia ilościowego związku pomiędzy dostarczaniem N na systemy fotosyntetyczne i pokrewne oraz optymalizacji dostarczania N, ilości Rubisco i tempa fotosyntezy.
Istnieją istotne różnice pomiędzy roślinami C3 i C4 w zawartości składników fotosyntetycznych w liściach, co było często omawiane (Sage i in., 1987; Evans i von Caemmerer, 2000; Lawlor i in., 2001). Ponieważ fotosynteza C4 zapewnia wysokie stężenie CO2, w którym funkcjonuje Rubisco, mniej Rubisco jest wymagane do asymilacji CO2 w C4 niż w C3, pomimo większego tempa asymilacji CO2 u roślin C4, nawet przy dużym strumieniu fotonów. W konsekwencji, zawartość N na jednostkę liścia jest mniejsza niż u roślin C3, a zapotrzebowanie na N jest mniejsze dla większej produkcji, więc efektywność wykorzystania N jest lepsza. Aby zmodyfikować rośliny C3 w kierunku tego szczęśliwego stanu, biochemia roślin od dawna ma ambicje, ale wymaga produkcji Rubisco z mniejszą lub żadną zdolnością oksygenazową, co minimalizuje lub eliminuje fotorespirację (przyczynę względnej niewydajności roślin C3). Jak wspomniano powyżej, możliwość zaprojektowania Rubisco w taki sposób, aby wyeliminować fotorespirację jest odległa. Sugeruje się więc zmianę strukturalnych i metabolicznych cech roślin C3 w celu osiągnięcia środowiska wysokiego CO2 dla Rubisco, które występuje u roślin C4 (Sheehy i in., 2000). Emulowanie w roślinach C3 złożoności zespołu C4 będzie trudne, ze względu na jego znaczną złożoność enzymatyczną i anatomiczną. Jest mało prawdopodobne, że szybkie postępy zostaną poczynione poprzez zmianę biochemii i anatomii C3 na C4, pomimo widocznej poprawy fotosyntezy C3 ryżu poprzez włączenie enzymów prawdopodobnie zwiększających stężenie CO2 w pobliżu Rubisco (Matsuoka et al., 2000) i pewnych sukcesów w zwiększaniu asymilacji CO2 (Ku et al., 2000), ten pożądany cel wydaje się wciąż bardzo odległą perspektywą (Evans i von Caemmerer, 2000).
Schematyczny schemat względnych zmian biochemicznych składników chloroplastu w stosunku do całkowitej ilości N zakumulowanego w liściu pszenicy. Oczywiste jest zwiększenie ilości zrębu Rubisco w chloroplaście w porównaniu z syntazą ATP w błonach tylakoidów i kompleksem białek chlorofilu zbierających światło (oceniane na podstawie stosunku chlorofilu a do b) (z danych w Theobald i in., 1998).
Schemat względnych zmian w biochemicznych składnikach chloroplastu w stosunku do całkowitej ilości N zakumulowanego w liściu pszenicy. Wzrost chloroplastowej zrębu Rubisco w stosunku do syntazy ATP w błonach tylakoidów i kompleksu białkowego chlorofilu zbierającego światło (ocenianego na podstawie stosunku chlorofilu a do b) jest oczywisty (z danych w Theobald i in., 1998).
Pobór i asymilacja azotanów
Pobór
przez korzenie zależy (Engels i Marschner, 1995) od stężenia
w roztworze glebowym, od objętości gleby wykorzystanej przez korzenie i gęstości ukorzenienia oraz od efektywności korzeni w absorbowaniu
. Na tę ostatnią wpływa zapotrzebowanie metaboliczne i warunki takie jak temperatura (Macduff i in., 1987, 1993). Strumień
do powierzchni korzenia zależy od stopnia kontaktu z glebą i wodą, od szybkości dyfuzji z objętości gleby w wodzie, a także, co szczególnie ważne dla
, transportu w masowym przepływie wody. Jest to związane z transpiracją roślin i zawartością wody w glebie. Wielkość korzeni jest funkcją wzrostu, a tym samym dostarczania N, co jest przykładem silnego efektu sprzężenia zwrotnego w produkcji roślinnej. Dla dużego całkowitego pobrania N przez roślinę uprawną z niskiego stężenia
wymagane są transportery o wysokim powinowactwie
oraz większa liczba transporterów na jednostkę powierzchni korzenia, a także większa długość i powierzchnia korzenia na objętość gleby, aby zminimalizować ograniczenie dyfuzji. Zdolność magazynowania
. Zwiększenie całkowitej produkcji wymaga wystarczającej ilości N do osiągnięcia asymptoty, ale największa produkcja przy najmniejszej ilości N wymaga optymalizacji, która występuje przy produkcji mniejszej niż maksymalna (Lawlor i in., 2001). Metabolizm azotanów, który może zachodzić w liściach i korzeniach, w zależności od gatunku rośliny, jest dobrze zbadany (patrz prace w Lea i Morot-Gaudry, 2001). Skupiając się tylko na komórkach liści, wzrasta w stosunku do CO2, wówczas gromadzi się więcej aminokwasów i białek w stosunku do tempa asymilacji CO2 i do zawartości węglowodanów, która może się zmniejszać w miarę stymulowania wzrostu (Lawlor i in., 1987,a, b, c). Między tymi procesami istnieje konkurencja: w liściach, ograniczona asymilacji może być ukryty. Stosunek N/C zmienia się w zależności od dostępności zasobów, szczególnie N, ale także CO2, zmniejszając się, gdy wzrasta podaż CO2 (Theobald i in., 1998), i jest bardzo zależny od temperatury. Na przykład, w chłodnych warunkach wzrost organów spowalnia bardziej niż asymilacja i wykorzystanie N, więc stosunek N/C wzrasta w porównaniu z warunkami ciepłymi. Kiedy dostępna jest wystarczająca ilość , duża część N jest „przechowywana” (tj. metabolicznie nieaktywna) jako białko i, w mniejszym stopniu, jako aminokwasy i w krótko- lub długoterminowych pulach, dopóki ich pojemność nie zostanie nasycona. Ich zdolność musi być uwarunkowana genetycznie, choć sposób ich regulacji nie jest dobrze poznany (Heilmeier i Monson, 1994). Znaczenie syntezy białek i czynników genetycznych i środowiskowych regulujących ilości i względne proporcje różnych białek jest centralnym elementem każdej dyskusji na temat wpływu N na metabolizm i wzrost. Szybkość syntezy białek, gdy wszystkie inne czynniki nie są ograniczające, zależy od temperatury. Zatrzymuje się ono w bardzo niskich temperaturach, wzrasta do maksimum wraz ze wzrostem temperatury, a następnie maleje wraz z dalszym wzrostem. Wpływa to na wszystkie procesy roślinne i zmienia zapotrzebowanie na aminokwasy, a tym samym na azotan. Doświadczalnie wykazano, że wraz ze spadkiem zapotrzebowania na syntezę białek, więc aminokwasy gromadzą się i zapotrzebowanie na spada, ale nie jego pobór, więc gromadzi się, odpowiedź na stężenie zmienia się i istnieje wyraźna interakcja między temperaturą i podażą azotanów a wzrostem (Lawlor i in., 1987,a, c, 1988; Miller i in., 2001). Przy niedostatecznej ilości N spada zawartość aminokwasów w liściach, syntetyzowane jest mniej białka, a wzrost jest ogólnie bardziej ograniczony niż fotosynteza, dlatego gromadzą się węglowodany, a stosunek N/C jest niski. W roślinach uprawnych szczegóły tych procesów i interakcji są skąpe, choć kluczowe dla zrozumienia mechanizmów ich wzrostu i zapotrzebowania na N. Modyfikacja metabolizmu azotu jest potencjalnie możliwa, ponieważ istnieje duża naturalna zmienność procesów, a w szczególności ich zdolności (Limami i de Vienne, 2001). Zwiększenie ilości aktywności reduktazy azotanowej na jednostkę powierzchni liścia jest potencjalnie drogą do zwiększenia całkowitej ilości zredukowanego azotanu; jest ona indukowana przez i jej regulacja jest złożona, oferując możliwość zmiany ilości, a zatem i szybkości redukcji azotanu. Przy dużej akumulacji azotanów (Lawlor i in., 1987a) jest jasne (patrz wcześniejsza dyskusja), że istnieją ograniczenia szybkości redukcji, zależne od warunków środowiskowych, zwłaszcza temperatury. Również akumulacja aminokwasów wskazuje, że synteza białek jest ograniczona. Rozważając sposób, w jaki metabolizm związany z N może być modyfikowany, jasne jest, że istnieją bardzo złożone interakcje w całym metabolizmie i znaczny wpływ środowiska, które łączą się w celu określenia wzrostu rośliny i jej składu. Modyfikacja procesów syntezy białek stanowiłaby poważną zmianę w podstawowej przemianie materii. Aby zwiększyć ilość białka wymagałoby zwiększenia zdolności do syntezy, na przykład poprzez zwiększenie liczby miejsc, ponieważ w danej temperaturze z wystarczającą ilością aminokwasów, istniejąca zdolność byłaby ograniczająca. Rzeczywiście, takie włączanie zdolności może mieć miejsce w roślinach o dużej zawartości białka, a także w odpowiedzi na obfite . Jednak takie koncepcje nie zostały prawie w ogóle zbadane. Zwiększenie ilości wchłanianej i wykorzystywanej przy podaży subsaturującej i nasycającej będzie wymagało różnych podejść i, potencjalnie, wielu zmian w metabolizmie. Uogólnione krzywe odpowiedzi (A) odnoszące produkcję biomasy do poboru azotu i do podaży azotu. Różnice między krzywymi wynikają ze strat N w glebie i ograniczeń w jego pobieraniu przez roślinę. W (B) zilustrowano zależność między N w wielkocząsteczkowych składnikach biochemicznych komórki a azotanami i aminokwasami, które są źródłem N do ich syntezy. Odpowiedzi (które mają ilustrować zasady i pochodzą z doświadczeń) można interpretować jako konsekwencję ograniczenia potencjału genetycznego, utożsamianego z syntezą białek, lub ograniczenia przez podaż N, jak na wykresie (C). Uogólnione krzywe odpowiedzi (A) odnoszące produkcję biomasy do pobrania azotu i do podaży azotu. Różnice między krzywymi wynikają ze strat N w glebie i ograniczeń w jego pobieraniu przez roślinę. W (B) zilustrowano zależność między N w wielkocząsteczkowych składnikach biochemicznych komórki a azotanami i aminokwasami, które są źródłem N do ich syntezy. Reakcje (które mają ilustrować zasady i pochodzą z doświadczeń) mogą być interpretowane jako konsekwencja ograniczenia potencjału genetycznego, utożsamianego z syntezą białek, lub ograniczenia przez podaż N, jak na schemacie (C). Wzrost i skład liści są istotnie uzależnione od N w czasie wzrostu i są dobrze udokumentowane i rozumiane pod względem zmian w strukturze, choć mechanizmy nie są tak dobrze poznane (Nelson i Dengler, 1997). Są one szczególnie wrażliwe na zwiększenie podaży N, gdy jest on ograniczony (patrz rozdział o krzywych odpowiedzi na N). Było to widoczne w doświadczeniach (Lawlor i in., 1987,a, b, c, 1988) badających względny wpływ i interakcje pomiędzy temperaturą i dostarczaniem N na liście pszenicy. Przy chłodnych (13/10°C dzień/noc) w porównaniu z ciepłymi (23/18°C) warunkach wzrostu i przy niedoborze (4,5 mM) w porównaniu z obfitym (19,9 mM) jest niejasne. Nie wiadomo, jaki jest związek między stężeniem w poszczególnych przedziałach komórkowych (Miller i in., 2001) a stężeniem aminokwasów i jak są one powiązane z tempem syntezy Rubisco lub białek ściany komórkowej. Taka specyficzność odpowiedzi jest istotna dla zrozumienia mechanizmów, ponieważ wzrost komórek jest w różny sposób powiązany z akumulacją Rubisco i fotosyntezą, w zależności od podaży N, co wpływa na relacje pomiędzy wielkością komórek, szybkością asymilacji i składem tkanek. Niższe temperatury zmniejszyły tempo wzrostu roślin i powierzchnię końcową, ale wydłużyły czas ekspansji liści. Jednakże białko rozpuszczalne i białko Rubisco na jednostkę powierzchni liścia zwiększyło się pomimo zmniejszenia tempa syntezy białka na liść. Interpretacja jest taka, że niższa temperatura spowolniła syntezę białek w mniejszym stopniu niż ekspansję liści, więc zawartość białka wzrosła w porównaniu do warunków ciepłych (Lawlor i in., 1988). To utrzymało tempo metabolizmu pomimo niższej temperatury. Złożone zmiany w ilości aminokwasów i węglowodanów w zależności od temperatury i podaży N mogą być wyjaśnione przez różne procesy – syntezę białek, wzrost organów, tempo fotosyntezy – które różnie reagują na warunki środowiska. Możliwe interakcje są zaznaczone na Rys. 4. Ostatecznie, wyjaśnienie sposobu wzrostu roślin, wpływu N na te procesy, interakcji z temperaturą itp. będzie wymagało znacznie lepszego zrozumienia tego, co determinuje wzrost i skład liści. Wprowadzenie zmian w rozwoju, starzeniu się i składzie liści w celu zwiększenia produkcji i efektywności wykorzystania N będzie wymagało modyfikacji systemów odpowiedzialnych za rozwój, podział i wzrost komórek. Plastyczność wzrostu i składu, która występuje w odpowiedzi na dostarczanie N i inne warunki środowiskowe sugeruje, że istnieje potencjał do zmiany wzrostu liści itp., ale podobnie jak w przypadku procesów metabolicznych, procesy ograniczające nie są jasne i bezpośrednia modyfikacja może być bardzo trudna. Nie wiadomo, jak zmiany zachodziły w ewolucji różnych gatunków lub ekotypów przystosowanych do różnych warunków, ani w hodowli selekcyjnej różnych odmian. Schematyczny schemat procesów zaangażowanych we wzrost liści oraz skład organelli, komórek i tkanek, na które wpływa podaż N i temperatura. Pokazano strumienie C i N w metabolicznych i magazynowych pulach składników tkankowych, prowadzące od zaopatrzenia środowiska poprzez produkcję substratów w liściu do wzrostu organów i wskazano miejsca regulacji (za Lawlor i in., 1988). Schematyczny schemat procesów zachodzących we wzroście liścia i składzie organelli, komórek i tkanek pod wpływem podaży N i temperatury. Pokazano strumienie C i N w metabolicznych i magazynowych pulach składników tkankowych, prowadzące od zaopatrzenia środowiska poprzez produkcję substratów w liściu do wzrostu organów i wskazano miejsca regulacji (za Lawlor i in…, 1988). Zilustrowano efekty dostarczania N i interakcji z temperaturą u roślin pszenicy Podano zmierzone tempo wzrostu, powierzchnię trzeciego liścia wraz z zawartością białka i aminokwasów oraz obliczone tempo syntezy białka i pobierania N. Rośliny były uprawiane w temperaturze 13/10 °C (zimno) lub 23/18 °C (ciepło) i z 4,5 mM (-N) lub 19,9 mM (+N). Wartości w nawiasach oznaczają procent ciepłego +N. (Dane z Lawlor i in., 1988.) Obraz efektów podaży N i interakcji z temperaturą u roślin pszenicy Podano zmierzone tempo wzrostu, powierzchnię trzeciego liścia wraz z zawartością białka i aminokwasów oraz obliczone tempo syntezy białka i pobrania N. Rośliny były uprawiane w temperaturze 13/10 °C (zimno) lub 23/18 °C (ciepło) i z 4,5 mM (-N) lub 19,9 mM (+N). Wartości w nawiasach oznaczają procent ciepłego +N. (Dane z Lawlor et al., 1988.) Na ten temat napisano już wiele (Lawlor i in., 2001) i dlatego jest on tutaj tylko bardzo krótko rozważany. Istnieje zasadniczo liniowa zależność pomiędzy całkowitą suchą masą produkowaną przez roślinę a promieniowaniem przechwytywanym przez nią (Monteith, 1977); dzieje się tak, ponieważ światło dostarcza energii dla całego metabolizmu. Przechwytywanie promieniowania zależy od wskaźnika powierzchni liści (LAI; stosunek powierzchni liści do powierzchni gruntu), a tym samym od wielkości liści i ich liczby, na którą w przypadku zbóż znaczący wpływ ma krzewienie się roślin i, jak wspomniano, asymptotycznie zależy od podaży N. Jednakże zależność pomiędzy LAI a przechwytywaniem promieniowania nie jest liniowa: przy LAI większym niż około 3, przechwytywanie PAR zbliża się do około 90%, a dalszy wzrost LAI nie zwiększa znacząco przechwytywania światła. Oprócz wpływu N na powierzchnię liścia, z powodów omówionych powyżej, obserwuje się wzrost tempa fotosyntezy przy dużej podaży N. W konsekwencji tych dwóch powiązanych efektów, istnieje silna asymptotyczna zależność pomiędzy biomasą a podażą N (Rys. 2, patrz dyskusja na temat krzywych odpowiedzi na N). Biomasa wzrasta liniowo wraz ze wzrostem podaży N od małych wartości (w tym regionie znaczne zyski w produkcji wynikają z małych wzrostów N) osiągając plateau przy dużej podaży, gdy roślina rośnie w genetycznie określonym potencjalnym tempie. Zawartość N/jednostka biomasy (N% w suchej masie) jest często używana jako wskaźnik tego, jak odpowiednie jest zaopatrzenie w N dla wzrostu roślin (Lawlor i in., 2001). Jednakże, N% nie jest wartością stałą i zmniejsza się w miarę rozwoju rośliny oraz zmiany jej struktury i składu biochemicznego. Liście, z dużą zawartością białka itp. powstają we wczesnym okresie wzrostu, a łodygi podporowe, z większą ilością celulozy i ligniny oraz niewielką ilością białka, później. Tak więc zawartość N (N%) zmniejsza się z wiekiem i zależy również od środowiska. Niedobór N zmniejsza N%, ponieważ zmniejsza się stosunek liści do łodygi, a zawartość białka i chlorofilu w liściach spada bardziej niż węglowodanów (patrz wcześniej). Wykorzystano zmiany w N% do harmonogramu stosowania N w uprawach (Lawlor i in., 2001), a dalszy rozwój takich technik będzie miał niewątpliwie praktyczną wartość ekonomiczną. Plon jest częścią rośliny lub uprawy wykorzystywaną do określonego celu, więc będzie zależał od uprawy i wymagań człowieka. W przypadku zbóż, ziarno jest podstawowym plonem, a całkowita produkcja zależy od liczby roślin na powierzchni, krzewów na roślinę, liczby kłosów na krzew, ziaren na kłos i masy na ziarno. Podczas wczesnego wzrostu tworzenie krzewów i liści determinuje późniejszą zdolność do tworzenia ziarna i produkcji asymilatów w celu ich wypełnienia. Tak więc, aby osiągnąć genetyczny potencjał plonu, wszystkie te czynniki wpływające na wzrost wielu części systemu, z których każda jest regulowana w złożony sposób, muszą być zoptymalizowane w ciągu całego życia uprawy (Slafer i in., 1996). W przypadku odpowiedniej i CO2, dostawa asymilatów do rozwijających się merystemów jest odpowiednia do utrzymania ich wzrostu, więc więcej krzewów jest produkowanych i przeżywa na roślinę i powierzchnię, podobnie jest z ziarnami. Zwiększa się także zdolność ziarniaków do wzrostu, prawdopodobnie dlatego, że powstaje więcej komórek o większej zdolności enzymatycznej. Przy odpowiedniej ilości asymilatów podczas wypełniania ziarna, wypełnia się więcej ziaren i są one większe. Czynniki te razem powodują duży plon. W normalnych warunkach polowych względna produkcja organów wegetatywnych i reprodukcyjnych różni się w poszczególnych miejscach i latach, co jest konsekwencją różnic w środowisku, a zwłaszcza w dostawie N. W związku z tym stosunek plonu ziarna do biomasy (indeks plonu, HI) nie jest stały, lecz zmienia się w zależności od warunków. Tam, gdzie zmienność środowiska jest ograniczona, HI jest względnie stały, ale jeśli mniej asymilatów jest dostępnych we wczesnym okresie wzrostu, przetrwa mniej krzewów, co skutkuje mniejszą liczbą kłosów i ziaren na kłos, a więc mniejszym plonem. W późniejszym okresie ograniczona asymilacja może zmniejszyć wypełnienie ziarna. Dostarczanie N ma duże znaczenie, wpływając na dostępność aminokwasów do syntezy białka podczas tworzenia ziarna, a później jako białka do przechowywania (Heilmeier i Monson, 1994). Potencjał genetyczny może być zdefiniowany jako całkowita zdolność rośliny do tworzenia biomasy lub plonu, gdy ograniczenia środowiskowe są usuwane (Richards, 1996); hodowcy i agronomowie często odnoszą się do potencjału plonowania, chociaż całkowita produkcja jest bardziej istotne, gdy rozważa się, jak potencjalny wzrost upraw może być zwiększona. Potencjał wydajności jest funkcją informacji genetycznej, która określa cechy białek, określając w ten sposób strukturę, wzrost i rozwój oraz rozmiar, do którego system może rosnąć. Ta maksymalna wielkość w cyklu wzrostu może być nazywana potencjałem genetycznym. Również maksymalne szybkości procesów są zdeterminowane genetycznie. Potencjał genetyczny nie może być jeszcze zdefiniowany ilościowo na podstawie podstawowych zasad, dlatego konieczna jest definicja operacyjna. Ponieważ rośliny (z pszenicą jako dobrym przykładem) często tworzą dużą liczbę merystemów zdolnych do wzrostu w sprzyjających warunkach, reagują one w dużym stopniu na dostępność zasobów, tzn. są bardzo „plastyczne”. Dlatego też potencjał genetyczny jest definiowany w określonych warunkach (Richards, 1996). W przypadku rolnictwa jest to na ogół na jednostkę powierzchni gruntu, wraz z normalnym padającym promieniowaniem słonecznym, temperaturą i atmosferycznym CO2 dla danego miejsca, które są stosunkowo jednolite i trudne do modyfikacji. Jak wspomniano wcześniej, zwiększenie obecnej zawartości CO2 w atmosferze znacznie zwiększa biomasę i plony, co pokazuje, że potencjał plonów zależy od warunków i sposobu jego zdefiniowania. Szczególne znaczenie ma temperatura, ponieważ wpływa ona na tempo procesów biochemicznych (patrz wcześniejsza dyskusja) i w ten sposób określa potencjał, przy czym maksymalny potencjał występuje w optymalnej temperaturze lub w optymalnym zakresie temperatur. Jednak te czynniki środowiskowe, które można zmienić w rolnictwie, takie jak odżywianie, zaopatrzenie w wodę oraz szkodniki i choroby, są modyfikowane w taki sposób, że nie wpływają na produkcję, czyli nie ograniczają potencjału genetycznego. Ze względu na wiele procesów zachodzących w rolnictwie, na które poszczególne warunki mają różny wpływ, konieczne może być optymalizowanie warunków, a nie ich maksymalizowanie. Dlatego też pomiar potencjału genetycznego może się różnić w zależności od środowiska (interakcja genotypלrodowisko lub G×E; Hollamby i Bayraktar, 1996). Około połowę znacznego wzrostu plonów w ostatnim stuleciu uzyskano dzięki ulepszonym cechom genetycznym roślin uprawnych, a resztę dzięki lepszej uprawie, zwłaszcza zwiększonemu nawożeniu (Austin i in., 1993). Rzeczywiście, „zielona rewolucja” opierała się na poprawie zarówno potencjału genetycznego, jak i na zapewnieniu odpowiednich warunków, zwłaszcza składników odżywczych, we właściwej ilości i we właściwym czasie (Evans, 1998). Hodowla roślin nie zwiększyła potencjału genetycznego w zakresie produkcji biomasy w uprawie takiej jak pszenica, ponieważ stare i nowe odmiany produkują podobną biomasę w odpowiednich warunkach. Zwiększyła jednak potencjał plonowania ziarna, a tym samym stosunek masy ziarna do całkowitej biomasy nadziemnej lub indeks plonu. Cechy jakościowe ziarna, takie jak stosunek białka do węglowodanów (np. w jęczmieniu przeznaczonym na paszę dla zwierząt lub do produkcji piwa) lub proporcje różnych białek (np. do produkcji chleba) również zostały zmodyfikowane: na nie również wpływa środowisko, takie jak podaż N. Poprawa potencjału upraw wymaga identyfikacji specyficznych części metabolizmu, które muszą być zmienione, aby osiągnąć dane wyniki. Kiedy podaż N jest taka, że istniejący potencjał plonów jest osiągnięty, jedynym sposobem na zwiększenie produkcji jest poprawa efektywności, z jaką N jest wykorzystywany w metabolizmie. Metabolizm musi zostać zmieniony albo w celu osiągnięcia większej asymilacji C na jednostkę N, albo w celu zwiększenia zdolności do wykorzystania N. Pierwszy sposób zwiększy biomasę, ale zmniejszy stosunek C/N i nie dostarczy więcej białka. Drugi sposób może być nieosiągalny, ponieważ światło byłoby głównym ograniczeniem, ponieważ przy dużym N, LAI jest już tak duży, że ponad 95% dostępnego promieniowania jest wykorzystywane (Sheehy et al., 2000). Pokonanie tego ograniczenia wymagałoby najbardziej rozległych zmian w metabolizmie fotosyntetycznym i stanowiłoby ogromne wyzwanie (Evans i von Caemmerer, 2000). Gdy N jest ograniczeniem, wymagana jest zdolność do zwiększenia poboru N z rozcieńczonego roztworu lub zwiększenia objętości wykorzystywanej gleby, tj. zwiększenie wydajności absorpcji lub wzrostu korzeni. Wydajność asymilacji C na jednostkę N w roślinie pozostałaby taka sama, ale produkcja biomasy wzrosłaby, jak również stosunek N/C, tak jak w przypadku obecnych upraw, którym dostarczana jest wystarczająca ilość N. Zwiększenie asymilacji C na jednostkę N potencjalnie zwiększyłoby biomasę (jeśli energia świetlna byłaby dostępna), ale zmniejszyłoby N/C. Jeśli dostarczanie N do korzenia zmienia się tak, że nie odpowiada tempu wzrostu w krótkim okresie, wtedy dostarczanie dużych zapasów N w roślinie byłoby sposobem na zapewnienie wystarczającej ilości N, aby spełnić wymagania biochemiczne (Macduff et al., 1993). Takie podejście może być łatwiejsze do osiągnięcia niż modyfikacja podstawowego metabolizmu, ponieważ zwiększenie zdolności do magazynowania białek, „produktu końcowego”, nie wymagałoby szerokiej regulacji. Jednakże, aby być skutecznym jako tymczasowy magazyn N, potrzebna byłaby maszyneria remobilizacyjna, z systemami wykrywającymi niedobór N i uruchamiającymi rozkład białek. Oczywiście, jeśli tempo dostarczania N z magazynu i gleby spadnie poniżej zapotrzebowania w dłuższej perspektywie, wzrost będzie ograniczony. W tym przypadku ważne jest zrozumienie podstawowych procesów asymilacji węgla i azotu oraz ich związku z plonami roślin. Może to prowadzić praktykę agronomiczną, hodowlę i inżynierię genetyczną. Aby określić związek między wzrostem a podażą N, z ograniczeniem N, oraz potencjał genetyczny z nieograniczeniem N, rośliny uprawiane są w standardowym (lub przynajmniej takim samym) środowisku światła, temperatury i CO2, które mogą nie być optymalne dla największej produkcji, z wszystkimi innymi warunkami nie ograniczającymi, z wyjątkiem podaży N (Angus, 1995). Nawóz N jest następnie stosowany do różnych obszarów uprawy w różnych ilościach (od zera do przekroczenia zapotrzebowania). Zależność między wzrostem plonu a ilością stosowanego N została określona w niezliczonych doświadczeniach i była często omawiana (Ter Steege i in., 2001). Uogólniona odpowiedź (Rys. 2) pokazuje, że przy bardzo dużym niedoborze N produkcja jest bardzo mała, rośnie liniowo wraz z podażą N, aż w końcu osiąga asymptotę, tzn. dalsze zwiększanie N nie zwiększa produkcji, co stanowi potencjał genetyczny. Jeśli wzrost odnosi się do N zakumulowanego przez roślinę, początkowe nachylenie, które jest prawdziwą lub wewnętrzną wydajnością wykorzystania N przez roślinę, jest bardziej strome (więcej biomasy na jednostkę N) niż w przypadku, gdy odnosi się do N zastosowanego. Różnica ta jest miarą efektywności wykorzystania N, podobnie jak różnica między punktem, w którym osiąga się plateau dla produkcji biomasy wyrażonej na jednostkę N pobranego i N zastosowanego. Nachylenie krzywej odnoszącej produkcję do zastosowanego N stanowi efektywność wykorzystania zastosowanego N. Przy niskiej podaży N wydajność jest duża i maleje wraz ze wzrostem podaży N w obu przypadkach. Różnica między N zastosowanym a zgromadzonym dostarcza cennych informacji na temat źródeł i strat N (Bacon, 1995; Ter Steege i in., 2001). N może pochodzić z opadów i rezerw glebowych, jak również z zastosowanych nawozów, co znacznie wpływa na pozorną odpowiedź uzyskaną z zastosowanego N. Podobnie, straty N spowodowane wypłukiwaniem, metabolizmem bakteryjnym i emisjami z gleby i roślin itp. wpływają na interpretację. Krzywe odpowiedzi na N dostarczyły wielu ilościowych informacji na temat potrzeb N, terminów itp. Wczesne badania wykazały zasadniczo asymptotyczny charakter odpowiedzi roślin na składniki pokarmowe, w tym dostawę N, jak omówiono dla krzywych N-odpowiedzi. Blackman’s „prawo czynników ograniczających” podsumował tę koncepcję. Mitscherlich, na przykład, opracował równanie (Y=Ymax(1-e-cN)) odnoszące plon, Y, do ilości stosowanego azotu N, oraz do maksymalnego plonu, Ymax, podanego przez asymptotę krzywej odpowiedzi Y versus podaż N; c jest współczynnikiem krzywizny. Ymax (który jest miarą potencjału genetycznego) i c różnią się w zależności od pory roku, a także miejsca uprawy i nie mogą być łatwo zastosowane do różnych warunków, ale podejście to pozwala na oszacowanie zapotrzebowania na N (patrz Angus, 1995, w celu omówienia). Aby osiągnąć Ymax, należy dostarczyć odpowiednią ilość N (Nmax), na przykład, jeżeli uprawa składa się z 10 t ha-1 ziarna przy Nmax 2% N (łącznie 200 kg N) i 10 t ha-1 słomy przy Nmax 0,5% N (łącznie 50 kg N), to dla całej uprawy wymagane jest 250 kg ha-1. To również reprezentuje zapotrzebowanie roślin na N i jest identyfikowalne z genetycznym potencjałem pobierania N i produkcji plonów. Jeśli różnica między ilością N w roślinie (Nmin) jest mniejsza niż Nmax, wówczas zapotrzebowanie na N (zapotrzebowanie, D) określa się jako D=(Nmax-Nmin)×masa rośliny uprawnej. Zapewnia to prostą ocenę zapotrzebowania na N, ale musi być oparta na średnich z długoterminowych powtarzanych pomiarów. Zważywszy na potrzebę dostosowania ilości i terminów stosowania N w uprawach w celu zwiększenia produkcji i wydajności oraz zmniejszenia zanieczyszczenia, logiczne jest dokonanie pomiaru N w roślinie w celu wskazania zapotrzebowania na N (Neeteson, 1995). Pomiar N w glebie jest mniej bezpośredni i może nie odzwierciedlać dynamiki procesów uprawy oraz wpływu środowiska na uprawę. Pomiar N musi być szybki, łatwy i skuteczny, a także niedrogi. Ponieważ liście zawierają dużą część N uprawnego, zwykle mierzy się N całkowity lub składniki ściśle związane z dostawą N, które szybko reagują na zmieniającą się podaż N i jej stosunek do zapotrzebowania. Analiza N całkowitego jest powolna, wymaga pobierania próbek i przygotowania tkanek oraz specjalistycznego sprzętu analitycznego, dlatego nie jest na ogół stosowana do pomiaru dynamiki N. Szybkie testy kolorymetryczne dla Wykorzystanie krzywych reakcji na N ma dużą wartość w ocenie zapotrzebowania upraw na N (Angus, 1995). Jednak takie metody są uogólnieniami, które nie mogą w prosty sposób uwzględnić różnic między uprawami w różnych miejscach i w różnych latach w wyniku zmiennego zaopatrzenia w N i pogody, która wpływa na zapotrzebowanie upraw, straty N itp. Niezbędne jest podejście dynamiczne, umożliwiające szybkie reagowanie i „dostrajanie” podaży do popytu. Modele tych procesów są dobrze opracowane i szeroko wykorzystywane do zalecania stosowania nawozów N (np. w systemach wspomagania decyzji), zwiększania efektywności wykorzystania N i zmniejszania zanieczyszczenia (Addiscott i in., 1995). Konieczne jest udoskonalenie modeli, w szczególności w odniesieniu do procesów uprawy (np. tempo wzrostu, które może być mierzone lub modelowane na podstawie temperatury) w perspektywie krótkoterminowej, w celu oceny zapotrzebowania na N w określonym czasie lub na poszczególnych etapach wzrostu uprawy. Stosunkowo niewiele informacji biochemicznych zostało wykorzystanych w modelach symulacyjnych w celu lepszego zrozumienia mechanizmów, a także w celu poprawy stosowania N (czas i ilość). Głównymi ograniczeniami dla rodzaju stosowanego modelowania symulacyjnego są: niewystarczające ilościowe zrozumienie poszczególnych części mechanizmów (charakterystyka enzymów, wielkość puli produktów pośrednich), słaba wiedza na temat powiązań między różnymi mechanizmami (powiązania między asymilacją C i N, transport w roślinie) oraz trudności w odniesieniu do krótkoterminowych pomiarów podstawowego metabolizmu do ogólnych reakcji upraw. Złożoność systemu wyklucza opracowanie prawdziwie „mechanistycznych” modeli symulacyjnych i rodzi pytanie, jak złożony może być model, aby był zrozumiały, stabilny i możliwy do przetestowania? Złożone modele metabolizmu są cenne dla zbadania i ilościowego określenia mechanizmów oraz wskazania, jakie informacje są wymagane (Evans i von Caemmerer, 2000). Doświadczenie sugeruje, że bardzo złożone modele mają ograniczoną wartość w praktyce. Modele zazwyczaj zawierają zależności empiryczne, które, jeśli są dobrze przetestowane, mogą zapewnić akceptowalną dokładność w zastosowaniu. Aby poprawić efektywność wykorzystania N, konieczne są większe wysiłki w celu opracowania i ulepszenia modeli symulacyjnych opartych na związkach empirycznych i zawierających informacje biochemiczne. Prawdą jest, że procesy związane z produkcją roślinną są bardzo złożone i wielowarstwowe, od molekularnych do całego organizmu, a czynniki środowiskowe wpływają na wszystkie poziomy organizacji. Najważniejsze jest to, że gdy podaż N jest mniejsza niż wymagana do osiągnięcia potencjału genetycznego, to pobór N musi być zwiększony, aby uzyskać większą biomasę. Można to zrobić albo poprzez zwiększenie objętości gleby wykorzystywane i zmniejszenie ograniczeń dyfuzji z większą gęstość zakorzenienia, lub poprzez zwiększenie powinowactwa korzenia do N. Wszystkie są prawdopodobnie wymagane. Alternatywnie można by zwiększyć asymilację C na jednostkę zakumulowanego N, tak aby z mniejszej akumulacji N powstała większa biomasa. Zwiększenie potencjału genetycznego biomasy można teoretycznie osiągnąć poprzez zwiększenie asymilacji C na jednostkę zgromadzonego N, kosztem zwiększenia stosunku C/N. Zakłada to, że dostępna byłaby odpowiednia ilość energii świetlnej, co jest mało prawdopodobne, gdyż obecnie przy pełnym łanie prawie cała energia jest pochłaniana. Gdyby więcej N zostało zasymilowane, ale bez zmiany równowagi z asymilacją C, teoretycznie zwiększyłoby to biomasę i utrzymało obecny stosunek C/N. Jednakże, wtedy ograniczenie światła byłoby prawdopodobne. Alternatywnie, biomasa mogłaby zostać zwiększona poprzez wydłużenie okresu, w którym światło jest absorbowane (dłuższy sezon wegetacyjny) i efektywnie wykorzystywane (genotypy „stay green”). To pierwsze rozwiązanie jest jednym z głównych powodów większej biomasy i plonów pszenicy ozimej w porównaniu z pszenicą jarą. Ta ostatnia jest również wykorzystywana. Zrozumienie, jak procesy reagują na N jest kluczem do poprawy produkcji i wydajności wykorzystania N i jest niezbędne, jeśli potencjał genetyczny ma być zwiększony (Sheehy i in., 2000). Reakcja całej rośliny, jako centralnego elementu systemów rolniczych, na warunki środowiskowe może być zrozumiana tylko wtedy, gdy doceniona zostanie organizacja systemu. Ponadto, należy ocenić czynniki środowiskowe regulujące zaopatrzenie w N. Niemożliwe jest jednak przeanalizowanie wszystkich aspektów razem w różnych warunkach w ramach jednego programu badawczego lub połączenie ich w celu praktycznego zastosowania, stąd potrzeba modelowania. Doprowadziło to do powstania różnych koncepcji podejścia do „problemu” zrozumienia zapotrzebowania na N oraz sposobu wykorzystania N w celu modyfikacji i poprawy jakości i ilości produktów rolnych. Na skrajnych biegunach znajdują się podejście redukcjonistyczne i agronomiczne. Redukcjonizm uważa, że wiedza o strukturze genomu dostarczy wystarczających informacji, aby umożliwić modyfikację cech roślin w wybranych kierunkach w celu poprawy reakcji na N oraz zwiększenia produktywności, wydajności i potencjału plonowania systemów rolniczych. Pogląd taki wydaje się być akceptowany wśród biologów molekularnych i inżynierów genetycznych (Matsuoka i in., 2000). Obecnie wiele wysiłku i entuzjazmu jest skierowanych na zrozumienie genomów roślin, a nadzieje na zwiększenie produkcji żywności koncentrują się na modyfikacjach genetycznych w celu zwiększenia potencjału genetycznego. Biorąc pod uwagę złożoność podsystemowej natury roślin, a także znaczne interakcje ze środowiskiem. Uważam, że ten pogląd jest źle oparte i nie do utrzymania, nawet w jego mniej skrajnej formie. Rola biochemii była kiedyś podobnie postrzegana (np. regulacja produkcji roślinnej przez aktywność reduktazy azotanowej), ale w praktyce wynikało z niej stosunkowo niewiele konkretnych modyfikacji i ulepszeń agronomicznych. Biochemiczne idee i informacje były niezbędne do zrozumienia systemu roślina-środowisko. Obecne koncepcje dotyczą interaktywnych i dynamicznych systemów biochemicznych, z wieloma procesami regulacyjnymi typu feed-back i feed-forward, które zapewniają stabilność i elastyczność metabolizmu, wzrostu itp. Podejście agronomiczne jest zasadniczo empiryczne, oparte na doświadczalnym określeniu wymagań dotyczących nakładów dla maksymalnej (lub optymalnej) produkcji: ta uświęcona tradycją metoda jest skuteczna, ale ograniczona w czasie i przestrzeni, a zatem specyficzna i możliwa do zastosowania jedynie w kategoriach ogólnych. To nie jest to, co jest wymagane do dostrajania zasobów z produkcją w rolnictwie, i spowodowało niepowodzenie w wykorzystaniu bardziej mechanistycznego zrozumienia biochemicznego (być może w połączeniu z modelowaniem symulacyjnym) w celu poprawy wydajności i zmniejszenia zanieczyszczenia itp. Wzrost potencjału wydajności w ciągu ostatnich 50 lat powstał z empirycznej hodowli selekcyjnej, z biochemicznym i fizjologicznym wkładem prowadzącym do lepszego zrozumienia procesów (takich jak te regulujące jakość białka w ziarnie, odporność na choroby itp. Hodowla selekcyjna w dużej mierze rekombinuje informację genetyczną i selekcjonuje pod kątem „produktów końcowych”, takich jak ilość i jakość ziarna. Procedura ta prowadzi do wyboru procesów biochemicznych i ich kombinacji, które optymalizują działania podsystemu, ale zasadniczo traktuje system jako „czarną skrzynkę”. Podczas gdy to podejście będzie prawdopodobnie nadal zapewniać większość ulepszeń w charakterystyce upraw przez wiele lat, potencjał oferowany przez biologię molekularną w zakresie zmiany genomu, a tym samym podstawowych procesów biochemicznych, musi zostać wykorzystany. Jednakże, jeśli ma się to powieść, wymaga to integracji ze zrozumieniem procesów biochemicznych oraz ich interakcji ze środowiskiem (Snape, 1996). Inżynieria genetyczna zmienia system w określonych punktach, zidentyfikowanych jako kluczowe lub ograniczające etapy metabolizmu. Nie istnieje jednak gen odpowiedzialny za efektywność wykorzystania N, plon ziarna czy jego jakość, ale wiele genów kodujących białka, które determinują strukturę i zachowanie różnych podsystemów biochemicznych i fizjologicznych. Jest więc prawdopodobne (i obecnie często wykazywane), że zmiany w genomie nie spowodują większych zmian w podstawowym metabolizmie omawianego tu typu (Paul i Lawlor, 2000). Ponadto, odpowiedź na warunki środowiskowe może być złożona, obejmująca wspomniane interakcje G×C, co wymaga przesunięcia koncepcji z genomu na genom w środowisku (Sheehy i in., 2000). Jeśli nie zostanie to szybko docenione, obecna utrata wiedzy z zakresu biochemii i fizjologii roślin w wielu krajach na rzecz biologii molekularnej spowoduje zniekształcenie podstaw wiedzy. Znacznie osłabi to bardziej klasyczne metody ataku na podstawowy problem, jakim jest poprawa produkcji, poprzez spowolnienie zastosowania obecnej wiedzy na temat technologii nawożenia. Będzie to również hamować dalsze doskonalenie podejść bardziej prawdopodobne, aby mieć duży wpływ na dostarczanie żywności w następnym półwieczu, kiedy popyt będzie rosnąć najszybciej. Połączenie molekularnych, biochemicznych i fizjologicznych informacji jest wymagane do oceny możliwości poprawy upraw skutecznie. W podsumowaniu: produkcja roślinna jest całkowicie zależna od dostaw N w odpowiednich ilościach w odpowiednim czasie dla wzrostu. Jest to konsekwencja zdarzeń metabolicznych, opartych na białkach, z energią świetlną wykorzystywaną w redukcji CO2 i oraz syntezie asymilatów, które są wykorzystywane we wzroście wegetatywnym i reprodukcyjnym oraz w tworzeniu plonu. Zależności pomiędzy wieloma procesami prowadzącymi do uzyskania plonu są jednak złożone i chociaż uwarunkowane genetycznie, podlegają znacznemu wpływowi środowiska, zwłaszcza podaży N. Zrozumienie mechanizmów decydujących o produkcji roślinnej, plonach i wydajności jest zaawansowane, ale niedostatecznie wykorzystywane w rolnictwie, chociaż istnieją sposoby zastosowania tych informacji. Zmiany w uprawach wymagane w celu zwiększenia biomasy przy niskiej podaży N: (a) zwiększenie całkowitej akumulacji N poprzez zwiększenie objętości eksploatowanej gleby, gęstości ukorzenienia i powinowactwa powierzchni korzeni do . Pozwoli to na utrzymanie obecnego stosunku C/N uprawy; (b) zwiększenie asymilacji C na jednostkę N, co spowoduje wzrost biomasy i stosunku C/N. Przy niskim poborze N i LAI mniejszym niż 3, energia świetlna nie byłaby ograniczająca w (a) lub (b); oba podejścia mogą być zastosowane. Przy dużej ilości dostarczanego i pobieranego N możliwe jest (c) zwiększenie asymilacji C na jednostkę N, a więc zwiększenie biomasy i stosunku C/N lub (d) zwiększenie N zakumulowanego w składnikach aktywnych, ale utrzymanie tej samej asymilacji C, a więc zwiększenie biomasy i utrzymanie stosunku C/N. Obie zakładają, że dostępna będzie wystarczająca ilość energii, co przy dużym LAI jest mało prawdopodobne, oraz że CO2 nie będzie ograniczeniem. Obecnie jest, a tempo wzrostu stężenia CO2 w atmosferze raczej nie będzie wystarczająco szybkie i duże, aby zwiększyć produkcję do potencjału genetycznego uzyskanego w warunkach podwyższonego CO2. W związku z tym, zwiększenie potencjału genetycznego dla wzrostu upraw i plonów będzie konieczne, gdy podaż N zaspokoi popyt, ale sposoby na to są niejasne. Zwiększenie wydajności fotosyntezy na jednostkę N lub światła nie jest zadaniem trywialnym. Zmiany zachodzące w podstawowej przemianie materii podczas ulepszeń uzyskanych dzięki hodowli roślin są nieznane i nie mogą pokazać, jakie ograniczenia zostały pokonane w celu poprawy genetycznego potencjału plonowania. W dużej mierze dotyczyły one zwiększenia zdolności do wzrostu ziarna przy jednoczesnym zmniejszeniu wzrostu wegetatywnego i utrzymaniu zdolności metabolizmu C i N do zaopatrywania ziarna oraz wydłużenia okresu wegetacji. Poprawa w podstawowym metabolizmie C i N nie jest udokumentowana. Analiza metabolicznych i fizjologicznych aspektów odpowiedzi roślin na podaż i temperaturę wskazuje na współdziałanie wielu procesów determinujących odpowiedź roślin na N. Takie informacje są ważne dla ukierunkowania rozwoju metod poprawy stosowania N w uprawach, w hodowli oraz dla oceny potencjału manipulacji genetycznych w celu poprawy efektywności wykorzystania N i genetycznego potencjału plonowania. Niezbędne jest docenienie interakcji genotyp-środowisko. Analiza sugeruje, że zwiększenie pobierania N będzie wymagało zmian w systemach korzeniowych i w powinowactwie ^{NO}_{3}^{{-}}}. Zwiększenie efektywności wykorzystania N w fotosyntezie wymagałoby istotnych zmian w metabolizmie fotosyntetycznym. Poprawa genetycznego potencjału plonowania będzie poważnym, długoterminowym zadaniem, mało prawdopodobnym do osiągnięcia za pomocą obecnej technologii inżynierii genetycznej. Połączenie hodowli selekcyjnej i metod molekularnych może dostarczyć sposobów na poprawę efektywności wykorzystania N i potencjału genetycznego. Moje podziękowania kieruję do redaktorów Wydania Specjalnego za ich zaproszenie i pobłażliwość podczas tworzenia manuskryptu. Na szczególne podziękowania zasługują również wszyscy moi koledzy, bezimienni, ale nie zapomniani, którzy przez wiele lat przyczyniali się do powstania tej pracy. , , . . . Wallingford: CAB International. . . . W: , red. . : , – . , , , . . . , – . (red.). . . New York: Marcel Dekker, Inc. , , , . . . W: , , eds. . : , – . , . . . In: , red. . : , – . . . . , – . , . . . , – . , von . . W: , , , eds. . : , – . . . . Cambridge: Cambridge University Press. , Ferrario- , . . . In: , , eds. . : , – . , . . . In: , , eds. . : , – . , . . . In: , , Mc , eds. . : , – . , , , , , , , , . . . In: , , , eds. . : , – . Kutík J, Nátr L, Demmers- , . . . , – . . . . In: , , eds. . T : , – . , , , . a. Nitrate nutrition and temperature effects on wheat: enzyme composition, nitrate and total amino acid content of leaves. , – . , , , , . b. Nitrate nutrition and temperature effects on wheat: photosynthesis and photorespiration of leaves. , – . , , , , . c. Nitrate nutrition and temperature effects on wheat: soluble components of leaves and carbon fluxes to amino acids and sucrose. , – . , , , , . . . , – . , , . . . , – . , , . . . In: , , eds. . : , – . , , . . . , – . , . (eds) . . : . , de . . . In: , , eds. . : , – . Mächler F, , , Nösberger J. . . , – . , , , . . . , – . , , Larsson C-M, . . . , – . , , , , , Ku MSB, . . . In: , , , eds. . : , – . . . . , – . , . . . , – . , , , . . . , – . Mitchell RAC, , Parry MAJ, . . Is there scope for improving balance between RuBP-regeneration and carboxylation capacities in wheat at elevated CO2? , – . . . . , – . , , . . . , – . . . . W: , red. . : , – . , . . . , – . , , , . . . In: , , eds. . : , – . , . (eds) . . , Special Issue, – . , , . . . , – . , , . . . , – . . . . In: , , Mc , eds. . : , – . , , . . . , – . , , . (eds) . . Amsterdam: Elsevier Science bv. , , . . . In: , , Mc , eds. . : , – . . . . In: , , , eds. . : , – . , Mitchell RAC, Parry MAF, . . . , – . , , . . . In: , , eds. . : , – . .Wzrost i skład liści
Traktowanie .
zimno -N .
zimny +N .
ciepły -N .
ciepło +N .
Prędkość wzrostu (g plant-1 d-1)
2,2 (34)
3,4 (53)
5,2 (80)
6.5 (100)
Area of leaf 3 (cm2)
9.9 (58)
12.0 (70)
16.5 (96)
17.1 (100)
Zawartość białka w liściu 3 (g m-2)
7 (88)
12 (156)
5 (63)
8 (100)
Rate of protein synthesis (g leaf-1 d-1)
0.58 (21)
1.20 (44)
1.65 (60)
2.74 (10)
Wielkość poboru N (μmol N g-1 suchej masy d-1)
25 (58)
85 (65)
50 (38)
130 (100)
Zawartość aminokwasów (mM m-2)
1.2 (75)
5.0 (312,5)
0,8 (50)
1,6 (100)
Zawartość azotanów (mM m-2)
0,5 (17)
2.6 (87)
1,2 (40)
3,0 (100)
Traktowanie .
zimno -N .
zimny +N .
ciepły -N .
ciepło +N .
Prędkość wzrostu (g plant-1 d-1)
2,2 (34)
3,4 (53)
5,2 (80)
6.5 (100)
Area of leaf 3 (cm2)
9.9 (58)
12.0 (70)
16.5 (96)
17.1 (100)
Zawartość białka w liściu 3 (g m-2)
7 (88)
12 (156)
5 (63)
8 (100)
Rate of protein synthesis (g leaf-1 d-1)
0.58 (21)
1.20 (44)
1.65 (60)
2.74 (10)
Wielkość poboru N (μmol N g-1 suchej masy d-1)
25 (58)
85 (65)
50 (38)
130 (100)
Zawartość aminokwasów (mM m-2)
1.2 (75)
5,0 (312,5)
0,8 (50)
1,6 (100)
Zawartość azotanów (mM m-2)
0,5 (17)
2.6 (87)
1,2 (40)
3,0 (100)
Traktowanie .
zimno -N .
zimny +N .
ciepły -N .
ciepło +N .
Prędkość wzrostu (g plant-1 d-1)
2,2 (34)
3,4 (53)
5,2 (80)
6.5 (100)
Area of leaf 3 (cm2)
9.9 (58)
12.0 (70)
16.5 (96)
17.1 (100)
Zawartość białka w liściu 3 (g m-2)
7 (88)
12 (156)
5 (63)
8 (100)
Rate of protein synthesis (g leaf-1 d-1)
0.58 (21)
1.20 (44)
1.65 (60)
2.74 (10)
Wielkość poboru N (μmol N g-1 suchej masy d-1)
25 (58)
85 (65)
50 (38)
130 (100)
Zawartość aminokwasów (mM m-2)
1.2 (75)
5.0 (312,5)
0,8 (50)
1,6 (100)
Zawartość azotanów (mM m-2)
0,5 (17)
2.6 (87)
1.2 (40)
3.0 (100)
Traktowanie .
zimno -N .
zimny +N .
ciepły -N .
ciepły +N .
Prędkość wzrostu (g plant-1 d-1)
2,2 (34)
3,4 (53)
5,2 (80)
6.5 (100)
Area of leaf 3 (cm2)
9.9 (58)
12.0 (70)
16.5 (96)
17.1 (100)
Zawartość białka w liściu 3 (g m-2)
7 (88)
12 (156)
5 (63)
8 (100)
Rate of protein synthesis (g leaf-1 d-1)
0.58 (21)
1.20 (44)
1.65 (60)
2.74 (10)
Wielkość poboru N (μmol N g-1 suchej masy d-1)
25 (58)
85 (65)
50 (38)
130 (100)
Zawartość aminokwasów (mM m-2)
1.2 (75)
5.0 (312.5)
0.8 (50)
1.6 (100)
Zawartość azotanów (mM m-2)
0.5 (17)
2.6 (87)
1.2 (40)
3.0 (100)
Wzrost plonu, plon i N
Potencjał genetyczny
Krzywe odpowiedzi N
Wskaźniki stanu i metabolizmu N w rolnictwie
Modelowanie azotu w środowisku i roślinie
Możliwości na przyszłość
Podziękowania
Notatki o autorze