Kol- och kväveassimilation i förhållande till avkastning: mekanismer är nyckeln till förståelse av produktionssystem

Abstract

En förbättrad förståelse av växtproduktionssystem i förhållande till kvävetillförsel har kommit från kunskap om grundläggande växtbiokemi och fysiologi. Genuttryck leder till proteinsyntes och bildande av metaboliska system; den efterföljande metabolismen bestämmer kapaciteten för tillväxt, utveckling och avkastningsproduktion. Detta utgör den genetiska potentialen. Dessa processer ställer krav på resursförsörjningen. Samspelet mellan koldioxid (CO2) och nitrat (

) assimilering och deras dynamik är av central betydelse för växtproduktionen. I synnerhet är en tillräcklig tillgång på

, dess assimilering till aminosyror (för vilka fotosyntetiserade kolföreningar krävs) och deras tillgänglighet för proteinsyntesen, avgörande för ämnesomsättningen. En adekvat tillförsel av

stimulerar bladtillväxt och fotosyntes, den förstnämnda via celltillväxt och celldelning, den sistnämnda genom större halter av komponenter i ljusreaktionerna, och de för CO2-assimilation och relaterade processer. Om tillgången på resurser överstiger den efterfrågan som fastställs av den genetiska potentialen är produktionen maximal, men om den är mindre är potentialen inte uppnådd; att anpassa resurserna till potentialen är jordbrukets mål. Sambandet mellan ämnesomsättning och avkastning är dock dåligt kvantifierat. Biokemiska egenskaper och simuleringsmodeller måste användas bättre och kombineras för att förbättra användningen av gödsel-N, effektiviteten i N-användningen och avkastningen. Det är möjligt att öka kväveupptaget vid otillräcklig kvävetillförsel genom att öka rötningsvolymen och -tätheten, men det är mindre möjligt att öka affiniteten. Det skulle öka biomassan och N/C-förhållandet. Med tillräckligt med N, vid full genetisk potential, skulle mer C-assimilation per N-enhet öka biomassan, men energin skulle vara begränsande vid full trädkrona. Ökad C-assimilation per N-enhet skulle öka biomassan men minska N/C-kvoten vid både stor och liten N-tillgång. En ökad produktion av alla biokemiska komponenter skulle öka biomassan och efterfrågan på kväve och bibehålla N/C-förhållandet. För att ändra C- eller N-assimilering krävs ändringar i många processer för att åstadkomma förbättringar i hela systemet. Det är osannolikt att genteknik/molekylärbiologiska ändringar av enskilda steg i den centrala ämnesomsättningen kan åstadkomma detta, eftersom målen är oklara och även på grund av de komplexa interaktionerna mellan processer och miljö. För att uppnå de långsiktiga målen att förbättra grödornas kväveanvändning och avkastning med färre insatser och mindre föroreningar genom agronomi, förädling eller genteknik krävs en bättre förståelse av hela systemet, från generna via ämnesomsättningen till avkastningen.

Introduktion: den konceptuella ramen

Under den autokatalytiska cykeln för högre växters tillväxt och reproduktion växer embryot i fröet under lämpliga förhållanden till en växt med blad och rötter. Bladen innehåller det komplexa biokemiska fotosyntesmaskineriet som kan fånga ljus och använda energin för reduktiv assimilering av koldioxid (CO2) och nitratjoner (

) med bildning av kolhydrater respektive aminosyror (Foyer et al., 2001; Lawlor, 1994). Rötterna fångar upp vatten och mineralnäringsämnen som krävs för ämnesomsättningen; här ligger fokus på tillförsel av kväve. För enkelhetens skull diskuteras endast tillförsel och metabolism av nitrat: rollerna av ammoniak som NH3 eller som

(Macduff et al., 1987; Ter Steege et al., 2001), N2-fixering från växt-rhizobium-sammanslutningar och upptag av organiskt-N beaktas inte. De C- och N-assimilater som produceras exporteras till växtens växtregioner där de införlivas i nya vegetativa celler och vävnader, vilket ger upphov till reproduktiva organ och fröer och därmed fullbordar tillväxtcykeln (Ourry et al., 2001).

Plantan fungerar som ett komplett system med en balans mellan skott och rot vid infångandet av resurser och utbytet av assimilater på lång sikt, men en kvantitativ förståelse av dessa processer och hur de regleras är begränsad. I figur 1 sammanfattas interaktionerna. Processerna och flödena av N- och C-assimilater är beroende av resurstillgången från och förhållandena i miljön. Diskussionen om den grundläggande ämnesomsättningens roll skiljs ofta från diskussionen om bestämmandet av grödans avkastning, på grund av utövarnas fokus och behovet av att ta upp specifika punkter i systemet i forskningssyfte. Men eftersom avkastningen är en konsekvens av biokemin är de två nära sammankopplade (Lawlor et al., 2001). Ur jordbruksproduktionens synvinkel är avkastningen den viktigaste aspekten, eftersom världens årliga produktion av ca 1,6 miljarder ton spannmål av vete, majs och ris står för huvuddelen av energin och näringsämnena för mänsklig konsumtion. Huvudsyftet är att producera stora skördar av högkvalitativa produkter med minsta möjliga resursinsats, särskilt av kvävehaltiga gödselmedel.

Denna översikt försöker sammanföra olika aspekter av växternas ämnesomsättning och fysiologi och N:s roll i de processer som leder till avkastning. Den betonar vikten av en mekanistisk förståelse av alla delar av systemet och i synnerhet av att integrera kunskapen om de övergripande målen om ökad växtproduktion med minimal användning av N utan miljöförstöring skall kunna uppnås. Det hävdas att onödigt fokus på vissa delar av systemet leder till en dålig bedömning av de potentiellt begränsande processerna och till att viktiga processer försummas.

N-gödselmedel och förbättrat jordbruk

Behovet av en bättre förståelse av de grundläggande mekanismerna som relaterar N till växtproduktion och av förbättringar av användningen av N visas genom att man betraktar den nuvarande situationen för världens jordbruk och dess beroende av industriellt producerade N-gödselmedel (Bacon, 1995). Jordbruket utnyttjar nu en stor del av jordens bördigaste mark, använder en stor del av det tillgängliga vattnet och kräver betydande tillförsel av gödningsmedel. En del av dessa (t.ex. fosfater) utvinns, men oorganiskt kväve kommer från den industriella omvandlingen av N2 till NH3 för att framställa urea, nitrater osv. Den industriella N-fixeringen ligger nära den naturliga fixeringen av N2 i biosfären. Det finns ett behov av en större livsmedelsproduktion utan att jordbruksmarken utökas (vilket begränsas av andra faktorer, t.ex. vattentillgången) och med mindre konstgödsel, för vars framställning stora mängder energi från fossila bränslen används. Den minskade användningen av mindre N-gödsel kommer att minska kostnaderna och föroreningarna, som är en följd av syntesmetoderna och av den ineffektiva appliceringen på och upptagningen av grödor; det är brådskande att uppnå dessa mål (Ter Steege et al., 2001). Den minskade användningen av gödselmedel står dock i konflikt med behovet av en större avkastning på grödorna. Avkastningen av de viktigaste baslivsmedlen, t.ex. vete, har inte ökat under det senaste decenniet (Evans, 1998). Med den ökande efterfrågan på livsmedel från en snabbt ökande mänsklig befolkning måste således risken för livsmedelsbrist i världen öka. För att övervinna de potentiellt farliga sociala problemen med livsmedelsbrist och miljöförstöring och -förorening måste jordbrukets avkastning per landarealenhet ökas samtidigt som beroendet av tillförda gödningsmedel minskar (Evans, 1998). En stor del av det globala jordbruket använder N-gödsel mycket ineffektivt (även i utvecklade ekonomier), ofta på grund av att andra miljöförhållanden är begränsande, så en förbättring av grödornas miljö och av tekniken för N-tillförsel, liksom tillämpning av nuvarande bästa praxis, skulle kunna minska förlusterna och öka produktionen (Bacon, 1995). Den nuvarande kunskapen om hur växter metaboliserar N och om N:s beteende i miljön är troligen tillräcklig för detta, även om det krävs bättre förståelse av systemet som helhet (se senare diskussion om modellering). Förbättringar av den genetiska potentialen för avkastning, som inte har förbättrats genom decennier av selektionsförädling, för att uppnå bättre totalproduktion med mindre N och andra resurser vore önskvärt (se diskussionerna om ökad risproduktion i Sheehy et al., 2000). Men även om detta vore möjligt skulle det kräva intensifierad selektionsförädling. När det gäller genetisk modifiering krävs troligen mycket mer expertis och ekonomiskt stöd samt ytterligare teknisk utveckling, trots vissa tecken på framgång (Ku et al., 2000), eftersom den nuvarande tekniken är relativt oprövad (Matsuoka et al., 2000) och den tid som krävs för att den skall kunna tillämpas på ett effektivt sätt troligen är lång. Sannolikheten för framgång är svår att bedöma; detta gäller även för selektionsförädling med tanke på den mycket långsammare, eller obefintliga, ökningen av avkastning och avkastningspotential. Genetiska egenskaper kan ändras specifikt för att öka produktionen och dess effektivitet, men målen för ändringen måste vara tydligt identifierade. Tillämpning av molekylära tekniker kommer att underlätta detta och förädlingsprogrammen, med viktiga gener och kvantitativa egenskaper som kontrollerar agronomiska egenskaper som identifieras och lokaliseras i omfattande genetiska kartor (Snape, 1996). N:s roll i grödor är dock så grundläggande att dessa metoder måste kombineras med en detaljerad förståelse av växternas biokemi och fysiologi.

Fotosyntetisk kol- och kväveassimilation och N-försörjning

N:s roll i jordbruksproduktionen är intimt förknippad med fotosyntesen. Vid fotosyntesen omvandlas den ”fysiska energin” i form av fotoner till den ”kemiska energin” i form av ATP och reducerade metaboliska intermediärer, främst NADPH, som används vid syntesen av kol- och kväveassimilat av många olika slag, särskilt kolhydrater och aminosyror (Foyer et al., 2001). Dessa ”ger bränsle” till syntesen av organens biokemiska komponenter och ger i slutändan hela växtens struktur (Lawlor et al. 2001). De grundläggande mekanismerna för assimilatproduktion beaktas eftersom de är centrala för förståelsen av växtproduktion.

CO2-assimilation

CO2-assimilation i förhållande till bladsammansättning och N-tillförsel har granskats utförligt (Evans, 1983; Sage et al., 1987; Lawlor et al., 2001) och kan sammanfattas på följande sätt: N bestämmer syntesen av aminosyror och därmed av proteiner (se senare) och i slutändan av alla cellkomponenter. För en snabb koldioxidassimilation krävs motsvarande stora mängder av många komponenter i kloroplasterna, särskilt de ljusskördande klorofyllproteinkomplexen (LHCP), elektrontransport- och NADP+-reducerande komponenter i thylakoiderna och det koldioxidassimilerande enzymet ribulosbisfosfatkarboxylas-oxygenas (Rubisco), plus andra enzymer som krävs för koldioxidassimilering i stroma. Proteinernas grundläggande egenskaper (molekylmassa, struktur) är genetiskt bestämda. Många enzymer regleras dock på mycket komplexa sätt av miljö- och växtfaktorer (t.ex. ljus och proteinfosforylering). Både mängden och aktiviteten av proteiner och andra komponenter i organen och organens storlek bestämmer ämnesomsättningens totala kapacitet. För att uppnå stora koldioxidassimileringshastigheter per ytenhet av bladet krävs ett stort antal molekyler av komponenterna. Vissa proteiner har hög molekylmassa i förhållande till sin aktivitet, så att betydande mängder protein finns i bladen (stor massa per enhet bladyta). För att effektivt fånga upp den energi som används vid fotosyntesen behövs till exempel en stor mängd klorofyll per ytenhet, som ”stöds” av proteiner (ljusskördande klorofyllproteinkomplex, LHCP, i thylakoiderna), så thylakoiderna innehåller mycket N. Det viktigaste proteinet i kloroplasten och i bladet (särskilt i C3-växter; Evans, 1983; Sage et al, 1987) är Rubisco, som katalyserar reaktionen mellan CO2 och RuBP, vilket ger upphov till triosefosfat. Detta exporteras från kloroplastens stroma till cytosolen och omvandlas sedan till sackaros. Rubisco har en låg katalytisk hastighet per proteinmassa, så de hastigheter för koldioxidassimilation som vanligen bestäms i C3-blad kräver en stor mängd Rubisco. Mängden Rubisco kan uppgå till 8 g m-2 och utgör upp till 30 % av N i veteblad och upp till 50 % av det lösliga proteinet (Lawlor et al., 1989). Aktivt metaboliserande blad innehåller motsvarande stora N-halter. Om kvävetillförseln under bladtillväxten är lägre än vad som krävs för att upprätthålla den potentiella proteinsyntesen etc., är mängden bildade komponenter otillräcklig för maximal koldioxidassimilation (Lawlor et al., 1988, 1989). Situationen är naturligtvis mer komplicerad än vad som beskrivs ovan, eftersom koldioxidassimileringen inte beror på mängden komponenter utan på deras aktivitet, som beror på andra faktorer. Om Rubiscohalten till exempel minskar så ökar aktiviteten, vilket tenderar att kompensera för förändringen. Vid låg temperatur krävs mer Rubisco (och andra proteiner och komponenter) för att bibehålla en given CO2-assimilationshastighet eftersom den metaboliska aktiviteten minskar på grund av de långsammare enzymreaktionerna (Lawlor et al., 1987b). Det finns således en betydande flexibilitet i utvecklingen av det fotosyntetiska systemet och i ämnesomsättningen, liksom ett komplext samspel med miljön.

Syrebrist har stor inverkan på kloroplasterna, i storlek, sammansättning och funktion. Jämfört med dem från växter som odlats med rikligt med N är de mindre och plattare, med färre thylakoidmembran som är dåligt staplade och en mindre andel granal till intergranal thylakoider, och andelen stroma ökar, till exempel i ris (Laza et al., 1993) och sockerbetor (Kutik et al., 1995). Det finns mindre LHCP, Rubisco och ATP-syntas (Theobald et al., 1998). Evans och Terashima visade dock att sammansättningen av thylakoiderna är relativt opåverkad av N-tillförseln, med thylakoidkomponenter, elektrontransportaktiviteter och hastigheter för O2-utveckling vid CO2-mättnad uttryckta på klorofyllbasis mycket likartade i spenat som odlats med mycket olika N-tillförsel (Evans och Terashima, 1987). Däremot var innehållet av Rubisco och lösligt protein per enhet klorofyll större vid stor N-halt, vilket visar att vid låg N-halt var kapaciteten för CO2-assimilation mindre än för elektrontransport. I vete är förhållandet mellan Rubisco och klorofyll relativt konstant över en rad olika N-behandlingar, även om det ökar vid hög N-halt (Evans, 1983; Lawlor et al., 1989). Andra författare har visat att massförhållandet mellan Rubisco och totalt klorofyll ökade när N-tillförseln ökade mer än vad förhållandet mellan ATP-syntas och klorofyll gjorde (Nakano et al., 1997; Theobald et al., 1998). Kvoten klorofyll a/b påverkas i stort sett inte av N-tillförsel, trots den stora minskningen av klorofyll, vilket tyder på att N-tillförsel inte reglerar uttrycket av LHCP (som innehåller klorofyll b) på ett differentiellt sätt i förhållande till de andra komponenterna i ljusskördar- och reaktionscentrumkomplexen. En generalisering är att N-tillförsel differentiellt förändrar uttrycket av den genetiska information som kontrollerar kloroplastens sammansättning, särskilt uttrycket av Rubisco och ATP-syntesen, men inte uttrycket av komponenterna i thylakoidmembranen (fig. 2). Möjligheterna att ändra de fotosyntetiska mekanismerna för att öka CO2-assimileringen övervägs aktivt (Paul och Lawlor, 2000). Vissa ökningar har uppnåtts genom att ändra bladens sammansättning, oväntat nog genom att ändra trehalosmetabolismen, förmodligen genom reglering av utvecklingen (Paul et al., 2001). Med tanke på bladens flexibilitet i sammansättning och funktion som svar på miljöförhållanden, t.ex. ljus, kan förändringar för att förbättra N-användningen vara möjliga. Men om dessa innebär att man ökar antalet men inte egenskaperna hos enzymer etc. kommer proteinmassan att öka, och därmed även N-innehållet och efterfrågan på N. Att öka innehållet av Rubisco ökar inte nödvändigtvis CO2-assimileringen per ytenhet i C3-blad, även i starkt ljus, på grund av andra begränsningar (t.ex. CO2-tillförsel) (Lawlor et al, 1987,a, b; Millard, 1988; Millard och Catt, 1988) så det är inte alltid effektivt att öka mängden komponenter.

Försörjningen av CO2 för C3-fotosyntesen är otillräcklig i den nuvarande atmosfären (360 μmol mol-1) och fotosynteshastigheterna samt tillväxten och avkastningen av grödor ökar med ca 30 % under brittiska förhållanden om detta fördubblas. Genom denna enkla miljöförändring uppnås alltså den genetiska potentialen (se senare). Om effektiviteten i CO2-assimileringen kunde ökas hos C3-växter genom att eliminera fotorespiration skulle produktiviteten per ackumulerad N-enhet öka. I den nuvarande CO2-atmosfären har det ofta påpekats att det finns ett stort innehåll av Rubisco med låg katalytisk aktivitet i blad som odlats med rikligt med kväve, vilket har lett till tanken att minska mängden Rubisco eller ändra dess egenskaper (minska mängden protein per aktiv plats, öka aktiveringstillståndet etc.) för att minska kvävebehovet. Det finns dock inga bevis för att detta är möjligt (och det finns bevis för att sådana förändringar kraftigt hämmar fotosyntesen). På grund av den stora mängden och den låga aktiviteten hos Rubisco i bladen, särskilt vid riklig N-tillgång, har det betraktats som ett lagringsprotein: det remobiliseras från äldre blad och bidrar med en stor del av proteinet i växande blad när N är begränsande och för syntesen av lagringsproteiner, t.ex. i spannmål och potatisknölar (Lawlor et al., 1987,a, 1989; Millard, 1988; Millard och Catt, 1988), vilket stödjer en lagringsfunktion. Det har hävdats att proteinsyntes är en ineffektiv energianvändning, men med tanke på behovet av ett stort Rubisco-innehåll i C3-växter för CO2-assimilation, särskilt vid högt ljus, och de joniska och osmotiska effekterna av att lagra

, och aminosyror, kan det finnas fördelar med Rubiscosyntesen som ett övergående lager av rikligt med N (Heilmeier och Monson, 1994). Sådana överväganden bör inte försummas när det föreslås att Rubiscohalten bör minskas för att förbättra N-användningseffektiviteten, t.ex. under förhöjd CO2-halt (Mitchell et al., 2000). Komplexiteten i Rubiscos roll och dess nära integration i vetets N-ekonomi visas av den varierande balansen mellan upprätthållandet av CO2-assimileringskapaciteten i gamla blad och remobiliseringen av Rubisco under senescens och kornfyllning. Förändringar i denna balans har stora effekter på avkastning och kornsammansättning. N-brist påverkar särskilt dessa processer och minskar den totala assimilationen eftersom bladen har kortare livslängd, senareläggs och förlorar fotosynteskompetens snabbare än när det finns gott om N, på grund av remobilisering av N till växande organ (Brouqisse et al., 2001); att förbättra den effektiva livslängden hos bladen genom tillförsel av N (Lawlor et al., 1989) eller genom förädling (Sheehy et al., 2000) är en beprövad metod för att öka avkastningen. Även om sådana interaktioner har beskrivits väl finns det ett behov av att bättre kvantifiera förhållandet mellan N-tillförsel på fotosyntetiska och relaterade system och att optimera N-tillförsel, Rubisco-mängder och fotosynteshastighet.

Det finns betydande skillnader mellan C3- och C4-växter när det gäller innehållet av fotosyntetiska komponenter i bladen, vilket ofta diskuterats (Sage et al., 1987; Evans och von Caemmerer, 2000; Lawlor et al., 2001). Eftersom C4-fotosyntesen ger en hög CO2-koncentration där Rubisco fungerar, krävs mindre Rubisco för C4- än C3-co2-assimilering trots de högre CO2-assimileringshastigheterna i C4-plantor, även vid stort fotonflöde. Följaktligen är N-innehållet per enhet blad mindre än i C3-plantor, och N-behovet är mindre för en större produktion, vilket innebär att N-användningseffektiviteten förbättras. Att modifiera C3-växter för att uppnå detta lyckliga tillstånd är en långvarig ambition inom växtbiokemin, men det kräver produktion av ett Rubisco med mindre eller ingen oxygenaskapacitet, vilket minimerar eller eliminerar fotorespirationen (orsaken till den relativa ineffektiviteten hos C3-växter). Som nämnts ovan är möjligheten att konstruera Rubisco för att eliminera fotorespiration avlägsen. Det har därför föreslagits att man skall ändra de strukturella och metaboliska egenskaperna hos C3-växter för att uppnå den hög-CO2-miljö för Rubisco som förekommer i C4-växter (Sheehy et al., 2000). Att i C3-växter efterlikna komplexiteten hos C4-syndromet kommer att vara svårt på grund av dess betydande enzymatiska och anatomiska komplexitet. Det är osannolikt att snabba framsteg kommer att göras genom att ändra C3- till C4-biokemi och -anatomi, trots uppenbara förbättringar i C3-fotosyntesen hos ris genom inkorporering av enzymer som sannolikt ökar CO2-koncentrationen i närheten av Rubisco (Matsuoka et al., 2000) och viss framgång när det gäller att öka CO2-assimileringen (Ku et al, 2000), verkar detta önskvärda mål fortfarande vara mycket avlägset (Evans och von Caemmerer, 2000).

Nitratupptag och assimilering

Upptag av

av rötter beror (Engels och Marschner, 1995) av koncentrationen av

i jordlösningen, av den volym jord som utnyttjas av rötterna och rotdensiteten samt av rötternas effektivitet när det gäller att absorbera

. Det senare påverkas av metabolisk efterfrågan och förhållanden som temperatur (Macduff et al., 1987, 1993). Flödet av

till rotytan beror på omfattningen av kontakten med jord och vatten, på spridningshastigheten från bulkgolvet i vatten, och särskilt viktigt för

, transport i massflödet av vatten. Detta hänger samman med grödornas transpiration och markens vatteninnehåll. Rotstorleken är en funktion av tillväxten och därmed av N-tillförseln, ett exempel på de starka feed-forward-effekterna i växtproduktion. För ett stort totalt N-upptag av en gröda från låg

koncentration krävs höga affinitets

transportörer, tillsammans med fler transportörer per enhet rotyta och större rotlängd och yta per jordvolym för att minimera diffusionsbegränsningen. Lagringskapaciteten för

i cellerna bör vara stor, särskilt där ämnesomsättningen är begränsad, till exempel vid låga temperaturer när fotosyntesen är långsam. Hela växtens inneboende N-användningseffektivitet (biomassaproduktion per ackumulerad N-enhet) bestäms av de integrerade biokemiska processerna i växten. Den enda kurva som relaterar produktion till N över ett brett spektrum av N-upptag och miljöförhållanden visar (fig. 3) att processernas effektivitet är genetiskt betingad. Kapaciteten för biomassaproduktion och N-upptag kan dock vara mycket beroende av miljöförhållanden, inklusive

tillgången. För att öka den totala produktionen krävs tillräckligt med N för att nå asymptoten, men största produktion med minst N kräver optimering, vilket sker vid mindre än maximal produktion (Lawlor et al., 2001).

För att förbättra N-upptaget från låga

koncentrationer i jorden krävs att man utnyttjar en större total jordvolym och större rotlängd och yta per jordvolym för att minimera diffusionsmotståndet, som kan vara en viktig begränsning. Dessutom kommer fler transportörer per enhet rotyta att öka rötans transportegenskaper. Att öka transportsystemets affinitet för

skulle vara ett stort framsteg; detta är dock redan stort eftersom

kan avlägsnas från mikromolära koncentrationer i väl omrörda lösningar (Engels och Marschner, 1995) och kan vara mycket svårt att uppnå.

Metabolismen av nitrat, som kan ske i blad och rötter beroende på växtart, är väl studerad (se artiklar i Lea och Morot-Gaudry, 2001). Om man endast fokuserar på bladceller,

reduceras till NH3 av nitrat- och nitritreduktas med hjälp av elektroner från fotosyntetisk elektrontransport. NH3 omvandlas till aminosyror genom GS/GOGAT-enzymreaktionen, och ”kolskeletten” tillhandahålls av organiska syror som härrör från trikarboxylsyracykeln i mitokondrierna. Kolhydrater för syntesen av organiska syror kommer i slutändan från fotosyntesens koldioxidassimilation och ATP för GS/GOGAT-reaktionen genereras av fotosyntes och andning. Det finns således ett nära samspel i de allra tidigaste faserna av N- och C-metabolismen, som båda använder ljusenergi, där cirka 10 % av elektronflödet i fotosyntetiserande blad används i

reduktion (Foyer et al., 2001). Förhållandet mellan kol och N som assimileras är dock inte strikt fixerat, för om tillförseln av

ökar i förhållande till CO2 så ackumuleras mer aminosyror och proteiner i förhållande till CO2-assimileringshastigheten och till kolhydratinnehållet, som kan minska när tillväxten stimuleras (Lawlor et al., 1987,a, b, c). Det finns konkurrens mellan processerna: i blad minskade begränsad

tillförsel innehållet av ribulosebisfosfat (RuBP), substratet för CO2-assimilering, men ökade förhållandet mellan ATP och ADP, vilket tyder på att det kan finnas konkurrens om reduktionsmedel (Mächler et al., 1998). På grund av den större potentiella CO2-assimileringen i blad som odlas med stor N-tillgång kan omfattningen av konkurrensen mellan CO2 och

assimilering vara dold. N/C-förhållandet varierar beroende på tillgången på resurser, särskilt N men även CO2, och minskar när CO2-tillgången ökar (Theobald et al., 1998), och är mycket beroende av temperaturen. Under svala förhållanden saktar till exempel organtillväxten in mer än N-assimilering och N-användning, så N/C-förhållandet ökar jämfört med varma förhållanden. När gott om

finns tillgängligt ”lagras” (dvs. metaboliskt inaktivt) en stor del av N som protein och, i mindre utsträckning, som aminosyror och

i kort- eller långtidspooler tills deras kapacitet är mättad. Deras kapacitet måste vara genetiskt betingad, även om man inte vet hur de regleras (Heilmeier och Monson, 1994).

Vikten av proteinsyntesen och de genetiska och miljömässiga faktorer som reglerar mängderna och de relativa proportionerna av olika proteiner är central i varje diskussion om effekterna av N på metabolism och tillväxt. Hastigheten för proteinsyntesen, när alla andra faktorer inte är begränsande, beror på temperaturen. Den stannar vid mycket låga temperaturer och ökar till ett maximum när temperaturen stiger för att sedan minska med ytterligare ökning. Detta påverkar alla växtprocesser och förändrar efterfrågan på aminosyror och därmed på nitrat. Experimentella bevis visar att när behovet av proteinsyntes minskar, så ackumuleras aminosyror och efterfrågan på

minskar, men inte dess upptag,

ackumuleras, svaret på

koncentrationen förändras således och det finns en tydlig interaktion mellan temperatur och nitrattillgång och tillväxt (Lawlor et al., 1987,a, c, 1988; Miller et al., 2001). Med otillräckligt N sjunker aminosyrainnehållet i bladen, mindre protein syntetiseras och tillväxten minskar i allmänhet mer än fotosyntesen, så kolhydrater ackumuleras och N/C-förhållandet är lågt. I grödor är detaljerna om dessa processer och interaktioner knapphändiga, även om de är avgörande för att förstå mekanismerna för deras tillväxt och för N-behovet.

Modifiering av kväveomsättningen är potentiellt möjlig eftersom det finns en stor naturlig variation i processerna och särskilt i kapaciteten (Limami och de Vienne, 2001). Att öka mängden nitratreduktasaktivitet per enhet bladyta är potentiellt en väg för att öka den totala mängden reducerat nitrat; den induceras av

och dess reglering är komplex, vilket ger möjlighet att ändra mängden och därmed nitratreduktionens hastighet. Med rikligt

är det tydligt (se tidigare diskussion) från nitratackumulationen (Lawlor et al., 1987a) att det finns begränsningar för reduktionshastigheten, beroende på miljöförhållandena, särskilt temperaturen. Även ackumulationen av aminosyror visar att proteinsyntesen är begränsande. När man överväger hur ämnesomsättningen med avseende på kväve kan modifieras är det uppenbart att det finns mycket komplexa interaktioner i hela ämnesomsättningen och betydande miljöpåverkan, som tillsammans bestämmer växtens tillväxt och sammansättning.

Modifiering av proteinsyntesens processer skulle innebära en stor förändring av den grundläggande ämnesomsättningen. För att öka mängden av ett protein skulle det krävas att man ökar kapaciteten för syntesen, till exempel genom att öka antalet platser, eftersom den befintliga kapaciteten vid en given temperatur med gott om aminosyror skulle vara begränsande. Denna omkoppling av kapaciteten kan faktiskt vara situationen i växter med ett stort proteininnehåll och i svaret på rikligt

. Sådana begrepp har dock knappast undersökts. För att öka mängden

som absorberas och används vid undermättande och mättande tillförsel krävs olika tillvägagångssätt och, potentiellt, många förändringar i ämnesomsättningen.

Växttillväxt, avkastning och N

Det har skrivits mycket om detta ämne (Lawlor m.fl, 2001) och därför tas det bara upp mycket kortfattat här. Det finns i huvudsak ett linjärt förhållande mellan den totala torrsubstans som produceras av en gröda och den strålning som fångas upp av den (Monteith, 1977); detta beror på att ljuset tillhandahåller energin för all ämnesomsättning. Strålningsinterceptionen beror på indexet för bladytan (LAI; förhållandet mellan bladytan och markytan) och därmed på storleken på bladen och deras antal, vilket påverkas avsevärt av markberedningen i spannmål och, som diskuterats, är asymptotiskt beroende av kvävetillförseln. Förhållandet mellan LAI och strålningsinterception är dock inte linjärt: med LAI större än ca 3 närmar sig PAR-interceptionen ca 90 %, och ytterligare ökning av LAI ökar inte ljusinterceptionen särskilt mycket. Förutom N:s effekter på bladytan ökar fotosynteshastigheten vid stor N-tillförsel, av de skäl som diskuterats. Till följd av dessa två relaterade effekter finns det ett starkt asymptotiskt förhållande mellan biomassa och N-tillförsel (fig. 2, se diskussionen om N-responskurvor). Biomassan ökar linjärt när N-tillförseln ökar från små värden (i denna region är avsevärda produktionsvinster resultatet av små ökningar av N) och når en platå vid stor tillförsel när grödan växer med den genetiskt bestämda potentiella hastigheten.

N-innehållet/enhet biomassa (N% i torrsubstans) används ofta som en indikation på hur adekvat N-tillförseln är för grödans tillväxt (Lawlor et al., 2001). N% är dock inte ett fast värde och minskar när grödan utvecklas och dess struktur och biokemiska sammansättning förändras. Blad, med ett stort innehåll av proteiner m.m., bildas under tidig tillväxt, och stödjande stjälkar, med mer cellulosa och lignin och lite protein, senare. N-innehållet (N%) minskar alltså med åldern och beror också på miljön. N-brist minskar N-% eftersom förhållandet mellan blad och stam minskar och protein- och klorofyllinnehållet i bladen sjunker mer än kolhydratinnehållet (se tidigare). Man har använt sig av förändringar i N% för att planera N-tillförseln till grödor (Lawlor et al., 2001) och ytterligare utveckling av sådana tekniker kommer utan tvekan att vara av praktiskt ekonomiskt värde.

Avkastning är den del av en växt eller gröda som används för ett specifikt ändamål, och beror därför på grödan och människans behov. När det gäller spannmål är spannmål den primära avkastningen och den totala produktionen beror på antalet plantor per område, markörer per planta, antal ax per markör, korn per ax och massa per korn. Under den tidiga tillväxten bestämmer bildandet av markörer och blad den senare kapaciteten för kornbildning och assimilatproduktion för att fylla dem. För att uppnå den genetiska avkastningspotentialen måste således alla de faktorer som påverkar tillväxten av systemets många delar, som var och en regleras på komplexa sätt, optimeras under grödans hela livstid (Slafer et al, 1996).

Med adekvat

och CO2-assimilering är tillgången på assimilater till de utvecklande meristemerna adekvat för att upprätthålla deras tillväxt, vilket gör att fler markstammar produceras och överlever per planta och areal, och på samma sätt är det med kärnor. Kornens förmåga att växa ökar också, troligen på grund av att fler celler med större enzymkapacitet tillverkas. Om man får tillräckligt med assimilat under fyllningen av kornen, fylls fler och större korn. Dessa faktorer resulterar tillsammans i en stor avkastning. Under normala fältförhållanden varierar den relativa produktionen av vegetativa och reproduktiva organ mellan olika platser och år till följd av skillnader i miljön, särskilt när det gäller kvävetillförseln. Därför är förhållandet mellan spannmålsavkastning och biomassa (skördeindex, HI) inte konstant utan varierar med förhållandena. Om miljövariationen är begränsad är HI relativt konstant, men om mindre assimilat finns tillgängligt under den tidiga tillväxten överlever färre markörer, vilket leder till färre ax och korn per ax och därmed lägre avkastning. Senare kan begränsad assimilering minska kornfyllningen. N-tillgången är av stor betydelse och påverkar tillgången på aminosyror för syntesen av protein under kornbildningen och senare som lagringsprotein (Heilmeier och Monson, 1994).

Kanske är det för lite uppskattat att de olika processer som bidrar till avkastningskomponenter är relativt oberoende med olika faktorer som påverkar dem, och att det finns en betydande feed-forward-effekt från tidig tillväxt. Dessutom är den tidpunkt då miljöfaktorerna verkar i förhållande till växtens och dess enskilda organs utveckling av stor betydelse. Eftersom många faktorer är inblandade och de är dynamiska är det inte lätt att förutsäga hur grödorna reagerar, men de är ändå av stor betydelse ur agronomisk synvinkel. Många användningsområden för grödor är mycket känsliga för kvalitetsegenskaper, t.ex. krävs det lågt proteininnehåll i korn för att brygga korn, så sen N-tillförsel bör vara minimal för att minska proteininnehållet, men för att uppnå avkastningspotential krävs tidig N-tillförsel, vilket leder till en konflikt som kompliceras av N-tillgången från marken. Det är viktigt att bättre förstå mekanismerna i dessa processer för att kunna förutse växternas behov av kväve. Förändringar i avkastning och kvalitet (inklusive kväveinnehåll) genom selektionsförädling har varit anmärkningsvärda och varaktiga. Större avkastning har inte berott på ökad produktion av biomassa i vete, utan till stor del på det ökade antalet korn och den storlek till vilken de kan fyllas. Detta har skett på bekostnad av den vegetativa tillväxten, vilket har ökat HI (Evans, 1998). Det är uppenbart att tillgången på assimilater har hållit jämna steg med den genetiska potentialen för spannmålsproduktion. Man förstår dock inte de underliggande förändringarna i ämnesomsättningen som har följt med dessa förändringar, vilket ger föga vägledning för modifieringar som riktas mot nivån för de metaboliska processerna.

Genisk potential

Den genetiska potentialen kan definieras som växtens totala kapacitet att bilda biomassa eller avkastning när miljökrav avlägsnas (Richards, 1996); förädlare och agronomer hänvisar ofta till avkastningspotentialen, även om den totala produktionen är mer relevant när man överväger hur den potentiella tillväxten hos grödor kan ökas. Avkastningspotentialen är en funktion av den genetiska information som specificerar proteinernas egenskaper och som på så sätt bestämmer struktur, tillväxt och utveckling samt den storlek som systemet kan växa till. Denna maximala storlek under tillväxtcykeln kan kallas den genetiska potentialen. Även processernas maximala hastigheter är genetiskt bestämda. Den genetiska potentialen kan ännu inte definieras kvantitativt utifrån grundläggande principer, så det krävs en operativ definition. Eftersom växter (med vete som ett bra exempel) ofta bildar ett stort antal meristemer som kan växa under gynnsamma förhållanden, reagerar de i hög grad på tillgången på resurser, dvs. de är mycket ”plastiska”. Därför definieras den genetiska potentialen under särskilda förhållanden (Richards, 1996). För jordbruket är detta i allmänhet per enhet markyta, tillsammans med normal infallande solstrålning, temperatur och atmosfärisk koldioxid för platsen, som är relativt enhetliga och svåra att förändra. Som tidigare nämnts ökar den nuvarande atmosfäriska CO2-halten väsentligt biomassa och avkastning, vilket visar att avkastningspotentialen beror på förhållandena och hur den definieras. Temperaturen är av särskild betydelse eftersom den påverkar de biokemiska processernas hastighet (se tidigare diskussion) och därmed bestämmer potentialen, där den maximala potentialen uppstår vid en optimal temperatur eller inom ett optimalt temperaturintervall. De miljöfaktorer som kan ändras inom jordbruket, t.ex. näring, vattentillgång, skadedjur och sjukdomar, ändras dock så att produktionen inte påverkas, dvs. de begränsar inte den genetiska potentialen. På grund av de många processer inom jordbruket som påverkas på olika sätt av särskilda förhållanden kan det vara nödvändigt att optimera förhållandena snarare än att maximera dem. Mätningen av den genetiska potentialen kan således variera med miljön (interaktionen genotyp×miljö eller G×E; Hollamby och Bayraktar, 1996).

Omkring hälften av den betydande avkastningsökningen under det senaste århundradet har erhållits genom förbättrade genetiska egenskaper hos grödor, resten genom förbättrad skötsel, särskilt ökad gödsling (Austin et al., 1993). Den ”gröna revolutionen” byggde i själva verket på en förbättring av både den genetiska potentialen och på att tillhandahålla de rätta förutsättningarna, särskilt näringsämnen, i rätt mängd och vid rätt tidpunkt (Evans, 1998). Växtförädling har inte ökat den genetiska potentialen för biomassaproduktion hos en gröda som vete, eftersom gamla och nya sorter producerar liknande biomassa under rätt förhållanden. Däremot har den ökat potentialen för spannmålsavkastning och därmed förhållandet mellan kornmassa och total ovanjordisk biomassa eller skördeindex. Kärnornas kvalitetsegenskaper, t.ex. förhållandet mellan protein och kolhydrater (t.ex. i korn för djurfoder eller bryggning) eller andelen olika proteiner (t.ex. för brödtillverkning) har också ändrats: de påverkas också av miljön, t.ex. av kvävetillförseln.

För att förbättra grödans potential krävs att man identifierar de specifika delar av ämnesomsättningen som måste ändras för att uppnå en viss produktion. När N-tillgången är sådan att den befintliga avkastningspotentialen är uppnådd är det enda sättet att öka produktionen att förbättra effektiviteten med vilken N används i ämnesomsättningen. Ämnesomsättningen måste ändras antingen för att uppnå mer C-assimilation per N-enhet eller för att öka kapaciteten för N-användning. Det förstnämnda tillvägagångssättet kommer att öka biomassan men minska C/N-förhållandet och ger inte mer protein. Det senare kanske inte går att uppnå eftersom ljuset skulle vara en stor begränsning, eftersom LAI med stort N redan är så stort att mer än 95 % av den tillgängliga strålningen används (Sheehy et al., 2000). Att övervinna denna begränsning skulle kräva de mest omfattande förändringarna av den fotosyntetiska ämnesomsättningen och skulle utgöra en formidabel utmaning (Evans och von Caemmerer, 2000). När N är begränsande är det förmågan att öka N-upptaget från utspädd lösning eller att öka den utnyttjade markvolymen som krävs, dvs. ökad absorptionseffektivitet eller rottillväxt. Effektiviteten för C-assimilation per N-enhet i växten skulle förbli densamma, men biomassaproduktionen skulle öka liksom N/C-förhållandet, precis som med nuvarande grödor som förses med rikligt med N. En ökning av C-assimilation per N-enhet skulle potentiellt öka biomassan (om ljusenergi fanns tillgänglig), men minska N/C-förhållandet. Om N-tillförseln till roten varierar så att den inte matchar tillväxttakten på kort sikt, skulle stora N-lager i växten vara ett sätt att tillhandahålla tillräckligt med N för att uppfylla de biokemiska kraven (Macduff et al., 1993). Ett sådant tillvägagångssätt kan vara lättare att uppnå än att modifiera den grundläggande ämnesomsättningen eftersom en ökad kapacitet för proteinlagring, en ”slutprodukt”, inte skulle kräva omfattande reglering. För att vara effektiv som ett tillfälligt N-lager skulle dock remobiliseringsmaskineriet behövas, med system för att upptäcka N-brist och utlösa proteinnedbrytning. Om tillförseln från lagret och marken på lång sikt sjunker under behovet kommer tillväxten naturligtvis att begränsas. Här är det viktigt att förstå de grundläggande processerna för kol- och kväveassimilation och hur de förhåller sig till grödans avkastning. Den skulle kunna vägleda agronomisk praxis, förädling och genteknik.

N-responskurvor

För att fastställa förhållandet mellan tillväxt och kvävetillförsel, med begränsande kvävetillförsel, och den genetiska potentialen med icke-begränsande kvävetillförsel, odlas grödor i en standardmiljö (eller åtminstone samma miljö) med ljus, temperatur och koldioxid – som kanske inte är optimal för största möjliga produktion – med alla andra förhållanden som inte är begränsande, utom kvävetillförseln (Angus, 1995). N-gödselmedel appliceras sedan på olika delar av grödan i olika mängder (från noll till överskridande av behovet). Grödans biomassa- eller avkastningstillväxt bestäms sedan som en funktion av mängden tillfört N. Sambandet mellan grödans tillväxt och mängden tillfört N har fastställts i otaliga experiment och har ofta diskuterats (Ter Steege et al., 2001). Ett generaliserat svar (fig. 2) visar att med mycket bristfällig N är produktionen mycket liten och ökar linjärt med N-tillförseln tills slutligen asymptoten nås, dvs. ytterligare ökning av N ökar inte produktionen, vilket är den genetiska potentialen. Om tillväxten är relaterad till det N som ackumuleras av grödan är den initiala lutningen, som är den sanna eller inneboende effektiviteten i växtens N-användning, brantare (mer biomassa per N-enhet) än om den är relaterad till N-tillförseln. Skillnaden är ett mått på hur effektivt N används, liksom skillnaden mellan den punkt där platån för biomassaproduktion uppnås när den uttrycks per enhet absorberad N och tillförd N. Lutningen på den kurva som relaterar produktionen till tillfört N är effektiviteten i användningen av tillfört N. Vid låg N-tillgång är effektiviteten stor och minskar när N-tillgången ökar i båda fallen. Skillnaden mellan applicerat och ackumulerat N ger värdefull information om källor och förluster av N (Bacon, 1995; Ter Steege et al., 2001). N kan komma från nederbörd och markreserver såväl som från tillförda gödselmedel, vilket i hög grad påverkar den synliga respons som härleds från tillfört N. På samma sätt påverkar förluster av N på grund av urlakning, bakteriell metabolism och utsläpp från mark och växter etc. tolkningen.

Användning av N-responskurvor har gett mycket kvantitativ information om behoven av N, tidpunkt etc. (Angus, 1995; Lawlor et al., 2001). Tidiga studier visade att växternas reaktioner på näringsämnen, inklusive kvävetillförsel, i huvudsak är asymptotiska, vilket diskuterades för N-responskurvor. Blackmans ”lag om begränsande faktorer” sammanfattade konceptet. Mitscherlich utvecklade till exempel en ekvation (Y=Ymax(1-e-cN) som relaterar avkastningen, Y, till mängden tillfört kväve N och till den maximala avkastningen, Ymax, som ges av asymptoten på responskurvan mellan Y och N-tillförseln; c är en krökningsfaktor. Ymax (som är ett mått på den genetiska potentialen) och c varierar mellan säsonger och platser och kan inte enkelt tillämpas på olika förhållanden, men metoden gör det möjligt att uppskatta kvävebehovet (se Angus, 1995, för en diskussion). För att uppnå Ymax måste rätt mängd N (Nmax) tillföras, t.ex. om en gröda med 10 t ha-1 spannmål med en Nmax på 2 % N (totalt 200 kg N) och 10 t ha-1 halm med en Nmax på 0,5 % N (totalt 50 kg N) krävs 250 kg ha-1 för hela grödan. Detta motsvarar också grödans behov av N och kan identifieras med den genetiska potentialen för N-upptag och avkastningsproduktion. Om skillnaden mellan N i växten (Nmin) är mindre än Nmax, ges N-behovet (efterfrågan, D) genom D=(Nmax-Nmin)×grödans massa. Detta ger en enkel bedömning av N-behovet, men måste baseras på medelvärden av långvariga upprepade mätningar.

Indikatorer för N-status och metabolism i jordbruket

Med tanke på behovet av att justera mängden och tidpunkten för N-tillförsel till grödor för att öka produktion och effektivitet och minska föroreningar, är det logiskt att mäta N i växten för att ange N-behov (Neeteson, 1995). Mätning av N i marken är mindre direkt och återspeglar kanske inte dynamiken i grödans processer och miljöns inverkan på grödan. Mätning av kväve måste vara snabb, enkel och effektiv samt billig. Eftersom bladen innehåller en stor del av grödans N mäts vanligen total N eller komponenter som är nära relaterade till N-försörjningen och som reagerar snabbt på förändringar i N-försörjningen och dess förhållande till efterfrågan. Analys av total N är långsam och kräver provtagning och preparering av vävnader samt specialiserad analysutrustning, varför den i allmänhet inte används för att mäta N-dynamiken. Snabba kolorimetriska tester för

koncentration (som beror på tillgång och efterfrågan på

) i små prover av uttryckt saft kan göras i fält, De är snabba och billiga och har betraktats som en användbar indikator på N-status, men de har inte använts i stor utsträckning som vägledning för N-tillförsel (Neeteson, 1995). Klorofyllhalten, som är starkt relaterad till N-tillgången, kan mätas i fält med en fotometer, t.ex. Minolta SPAD-502 klorofyllmätare (Minolta Camera Company, Ramsey, NJ, USA), som är snabb och repeterbar. SPAD-avläsningarna kalibreras för att erhålla bladens klorofyllhalt eller korreleras direkt med växtens prestanda (Peltonen et al., 1995), vilket ger en praktisk metod för att bedöma N-status och N-behov, även om den är mindre dynamisk än tester för

innehåll. Sådana metoder, som bygger på biokemisk och fysiologisk förståelse, bör uppmuntras.

Modellering av kväve i miljön och växten

Användningen av N-responskurvor har varit av stort värde vid bedömningen av grödors N-behov (Angus, 1995). Sådana metoder är dock generaliseringar som inte enkelt kan ta hänsyn till skillnaderna mellan grödor på olika platser och under olika år till följd av varierande kvävetillförsel och väderförhållanden som påverkar grödans efterfrågan, kväveförluster osv. Dynamiska metoder är nödvändiga för att möjliggöra snabba reaktioner och för att ”finjustera” tillgången till efterfrågan. Modeller av dessa processer är välutvecklade och används i stor utsträckning för att rekommendera användning av kvävegödselmedel (t.ex. i beslutsstödsystem), öka effektiviteten i användningen av kväve och minska föroreningar (Addiscott et al., 1995). Det krävs förbättringar av modellerna, särskilt när det gäller grödprocesser (t.ex. tillväxthastigheter som kan mätas eller modelleras på grundval av temperatur) på kort sikt, för att bedöma N-behovet vid specifika tidpunkter eller tillväxtstadier för grödor. Relativt lite har använts av biokemisk information i simuleringsmodeller för att öka förståelsen för mekanismerna och även för att förbättra N-tillförseln (tidpunkt och mängd).

De viktigaste begränsningarna för den typ av simuleringsmodellering som används är följande: otillräcklig kvantitativ förståelse av de enskilda delarna av mekanismerna (enzymegenskaper, intermediärernas storlek), dålig kännedom om kopplingen mellan olika mekanismer (koppling mellan C- och N-assimilering, transport inom växten) och svårighet att koppla samman kortsiktiga mätningar av den grundläggande ämnesomsättningen med de övergripande reaktionerna på grödan. Systemets komplexitet förhindrar utvecklingen av verkligt ”mekanistiska” simuleringsmodeller och väcker frågan om hur komplex en modell kan vara för att vara begriplig, stabil och testbar. Komplexa metaboliska modeller är värdefulla för att utforska och kvantifiera mekanismer och ange vilken information som krävs (Evans och von Caemmerer, 2000). Erfarenheten visar att mycket komplexa modeller är av begränsat värde i praktiken. Modellerna innehåller vanligen empiriska samband som, om de är väl testade, kan ge en godtagbar noggrannhet i tillämpningen. För att förbättra effektiviteten i N-användningen krävs större ansträngningar för att utveckla och förbättra simuleringsmodeller som bygger på empiriska samband och som innehåller biokemisk information.

Framtida möjligheter

Det är en sanning att de processer som är involverade i växtodlingen är mycket komplexa och flerskiktade, från molekylär nivå till hela organismen, och att miljöfaktorer påverkar alla nivåer av organisation. De väsentliga punkterna är att när N-tillgången är mindre än vad som krävs för att den genetiska potentialen ska uppnås är det N-upptaget som måste ökas för att få större biomassa. Detta kan göras antingen genom att öka den utnyttjade jordvolymen och minska diffusionsbegränsningarna med hjälp av en högre rotningsdensitet, eller genom att öka rötternas affinitet för N. Alla dessa åtgärder är troligen nödvändiga. Alternativt kan C-assimileringen per ackumulerad N-enhet ökas, så att en större biomassa blir resultatet av en mindre N-ackumulering. En ökning av den genetiska potentialen för biomassa skulle i teorin kunna uppnås genom att öka C-assimileringen per ackumulerad N-enhet, på bekostnad av en ökning av C/N-förhållandet. Detta förutsätter att tillräcklig ljusenergi skulle vara tillgänglig, vilket är osannolikt eftersom nästan all energi absorberas nu med ett fullt krontak. Om mer kväve assimileras, men utan att förändra balansen med C-assimilering, skulle detta teoretiskt sett öka biomassan och bibehålla det nuvarande C/N-förhållandet. Då skulle dock ljusbegränsning vara trolig. Alternativt skulle biomassan kunna ökas genom att förlänga den period under vilken ljuset absorberas (längre växtsäsong) och används effektivt (”stay green”-genotyper). Det förstnämnda är en av de viktigaste orsakerna till den större biomassan och avkastningen hos vintervete jämfört med vårvete. Det senare utnyttjas också.

Underförståelse av hur processerna reagerar på N är nyckeln till att förbättra produktionen och effektiviteten i N-användningen, och är väsentlig om den genetiska potentialen ska kunna ökas (Sheehy et al., 2000). Svaret från hela växten, som är det centrala elementet i jordbrukssystem, på miljöförhållanden kan endast förstås om man uppskattar systemets organisation. Dessutom måste de miljöfaktorer som styr tillgången på kväve utvärderas. Det är dock omöjligt att analysera alla aspekter tillsammans under en rad olika förhållanden i ett enda forskningsprogram, eller att kombinera dem för praktisk tillämpning, därav behovet av modellering. Detta har lett till olika koncept för hur man skall hantera ”problemet” med att förstå behovet av kväve och hur man skall använda kväve för att förändra och förbättra kvaliteten och kvantiteten på jordbruksprodukterna. I ytterligheterna finns de reduktionistiska och agronomiska synsätten. Reduktionismen anser att kunskapen om arvsmassans struktur kommer att ge tillräckligt med information för att växternas egenskaper skall kunna ändras i utvalda riktningar för att förbättra responsen på kväve och öka produktiviteten, effektiviteten och avkastningspotentialen i jordbrukssystemen. Detta synsätt verkar vara accepterat bland molekylärbiologer och gentekniker (Matsuoka et al., 2000). För närvarande är mycket arbete och entusiasm inriktad på att förstå växternas genom, och förhoppningarna om att öka livsmedelsproduktionen är inriktade på genetisk modifiering för att öka den genetiska potentialen. Med tanke på komplexiteten hos växternas delsystemkaraktär och det betydande samspelet med miljön. Jag anser att detta synsätt är dåligt grundat och ohållbart även i sin mindre extrema form. Biokemins roll betraktades en gång i tiden på samma sätt (t.ex. reglering av växtproduktion genom nitratreduktasaktivitet), men i praktiken resulterade det i relativt få specifika modifieringar och agronomiska förbättringar. Biokemiska idéer och information har varit avgörande för förståelsen av systemet växt-miljö. De nuvarande begreppen handlar om interaktiva och dynamiska biokemiska system, med många återkopplande och framåtriktade regleringsprocesser som ger stabilitet och flexibilitet i ämnesomsättning, tillväxt etc., men som kan vara svårare att förändra på specifika sätt än vad som antas. Det agronomiska tillvägagångssättet är i huvudsak empiriskt och bygger på experimentell bestämning av insatsbehov för maximal (eller optimal) produktion. Denna gamla metod är framgångsrik, men begränsad i tid och rum och därför specifik, och kan därför endast överföras i allmänna termer. Detta är inte vad som krävs för att finjustera resurserna med produktionen inom jordbruket, och har lett till att man misslyckats med att utnyttja en mer mekanistisk biokemisk förståelse (kanske kopplad till simuleringsmodellering) för att förbättra effektiviteten och minska föroreningar etc.

Ökningen av avkastningspotentialen under de senaste 50 åren har uppstått genom empirisk selektionsförädling, med biokemiskt och fysiologiskt material som har lett till en bättre förståelse för processer (t.ex. de som reglerar kornets proteinkvalitet, sjukdomsresistens etc.) och selektionskriterier, och till avsevärt förbättrade analytiska metoder. Selektionsförädling kombinerar i stor utsträckning genetisk information och selekterar för ”slutprodukter”, t.ex. kornmängd och kornkvalitet. Detta förfarande resulterar i ett urval av biokemiska processer, och deras kombinationer, som optimerar delsystemets aktiviteter, men behandlar i huvudsak systemet som en ”svart låda”. Även om detta tillvägagångssätt förmodligen kommer att fortsätta att ge de flesta av förbättringarna av grödornas egenskaper under många år, måste man utnyttja de möjligheter som molekylärbiologin erbjuder när det gäller att ändra genomet och därmed de grundläggande biokemiska processerna. För att lyckas med detta krävs dock att det integreras med förståelsen av biokemiska processer och deras samverkan med miljön (Snape, 1996). Genteknik förändrar systemet vid specifika punkter som identifierats som viktiga eller begränsande steg i ämnesomsättningen. Det finns dock inte en gen för N-användningseffektivitet eller för spannmålsavkastning eller kvalitet, utan många gener som kodar för proteiner som bestämmer strukturen och beteendet hos olika biokemiska och fysiologiska delsystem. Det är därför troligt (och nu ofta visat) att förändringar i genomet inte kommer att leda till större förändringar i den grundläggande metabolismen av den typ som diskuteras här (Paul och Lawlor, 2000). Dessutom kan svaret på miljöförhållanden vara komplext och inbegripa de nämnda G×C-interaktionerna, vilket kräver en förändring av begreppet från genomet till genomet i en miljö (Sheehy et al., 2000). Om man inte snabbt inser detta kommer den nuvarande förlusten av växtbiokemisk och fysiologisk expertis i många länder till förmån för molekylärbiologi att snedvrida kunskapsbasen. Det kommer att avsevärt försvaga de mer klassiska metoderna för att angripa det grundläggande problemet med att förbättra produktionen genom att bromsa tillämpningen av den nuvarande kunskapen om gödslingsteknik. Det kommer också att hindra ytterligare förbättringar av de metoder som sannolikt kommer att få stor betydelse för livsmedelsförsörjningen under det kommande halvseklet, då efterfrågan kommer att öka snabbast. En kombination av molekylär, biokemisk och fysiologisk information krävs för att effektivt kunna bedöma möjligheterna till förbättring av grödor.

Slutsatsen är att grödor är helt beroende av tillförsel av kväve i lämpliga mängder vid rätt tidpunkt för tillväxt. Detta är en följd av metaboliska händelser, baserade på proteiner, med ljusenergi som används för reduktion av CO2 och

och syntesen av assimilater som används i den vegetativa och reproduktiva tillväxten och i avkastningsbildningen. Relationerna mellan de många processer som leder till avkastning är dock komplexa och även om de är genetiskt bestämda är de föremål för betydande påverkan från miljön, särskilt när det gäller tillförsel av kväve. Förståelsen för de mekanismer som bestämmer växtproduktion, avkastning och effektivitet är avancerad, men utnyttjas inte tillräckligt inom jordbruket, även om det finns sätt att tillämpa informationen. De förändringar av grödor som krävs för att öka biomassan är vid låg kvävetillgång: (a) Öka den totala N-ackumulationen genom att öka den utnyttjade markvolymen, rotdensiteten och rotytans affinitet för

. Detta kommer att bibehålla grödans nuvarande C/N-förhållande, b) öka C-assimileringen per N-enhet, vilket kommer att öka biomassan och C/N-förhållandet. Vid lågt N-upptag och LAI mindre än 3 skulle ljusenergin inte vara begränsande i a) eller b); båda tillvägagångssätten skulle kunna användas. Vid riklig tillförsel och upptag av kväve är möjligheterna följande: (c) att öka C-assimileringen per N-enhet så att biomassan och C/N-förhållandet ökar, eller d) att öka den N-ackumulering som sker i aktiva komponenter, men bibehålla samma C-assimilering, så att biomassan ökar och C/N-förhållandet bibehålls. Båda förutsätter att tillräcklig energi kommer att finnas tillgänglig, vilket är osannolikt vid stor LAI, och att koldioxid inte kommer att vara begränsande. För närvarande är den det, och det är osannolikt att ökningen av koldioxid i atmosfären kommer att vara snabb eller tillräckligt stor för att öka produktionen till den genetiska potential som uppnås vid förhöjd koldioxid. Därför kommer det att krävas en ökning av den genetiska potentialen för grödornas tillväxt och avkastning när kvävetillgången motsvarar efterfrågan, men det är oklart hur detta skall ske. Att öka fotosyntesens effektivitet per enhet kväve eller ljus är ingen trivial uppgift. De förändringar som sker i den grundläggande ämnesomsättningen under de förbättringar som uppnås genom växtförädling är okända och kan inte visa vilka begränsningar som har övervunnits för att förbättra den genetiska avkastningspotentialen. De har till stor del handlat om att öka kapaciteten för spannmålstillväxt samtidigt som den vegetativa tillväxten har minskat och C- och N-metabolismens förmåga att försörja spannmålen har bibehållits och att odlingssäsongen har förlängts. Förbättringar i den grundläggande C- och N-metabolismen har inte dokumenterats. Analysen av de metaboliska och fysiologiska aspekterna av växternas svar på

tillförsel och temperatur visar att det finns ett samspel mellan många processer som bestämmer växternas svar på kväve. Sådan information är viktig för att vägleda utvecklingen av metoder för att förbättra kvävetillförseln till grödor, för förädling och för att bedöma potentialen för genetisk manipulering för att förbättra effektiviteten i kväveanvändningen och den genetiska avkastningspotentialen. Det är viktigt att förstå samspelet mellan genotyp och miljö. Analysen tyder på att ett ökat N-upptag kommer att kräva förändringar i rotsystemen och i affiniteten hos

transportörer. Den ökade effektiviteten i N-användningen i fotosyntesen skulle kräva betydande förändringar i den fotosyntetiska ämnesomsättningen. Att förbättra den genetiska avkastningspotentialen kommer att vara en stor och långsiktig uppgift som sannolikt inte kan uppnås med nuvarande genteknik. En kombination av selektionsförädling och molekylära metoder kan ge möjligheter att förbättra N-användningseffektiviteten och den genetiska potentialen.

Acknowledgments

Mitt tack riktas till redaktörerna för specialutgåvan för deras inbjudan och överseende under produktionen av manuskriptet. Dessutom förtjänar alla mina kollegor, namnlösa men inte glömda, som under många år bidragit till detta arbete ett särskilt tack.