以光合作用策略提高作物產量時的氮需求 - 國歡企業家族
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光合作用的過程中需要用到很大量的蛋白質,而這些蛋白質是葉片中主要的氮組成,因此光合作用系統需要大量的氮來建構。
作物的產量反映光合作用效率,雖然不同作物的氮 ...
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以光合作用策略提高作物產量時的氮需求
全世界的糧食安全依賴小麥、小稻、玉米的產量,而光合作用是產生生物量(Biomass,可定義為一個個體或單位內的生物總重)的基礎。
光合作用的過程中需要用到很大量的蛋白質,而這些蛋白質是葉片中主要的氮組成,因此光合作用系統需要大量的氮來建構。
作物的產量反映光合作用效率,雖然不同作物的氮含量與光合作用的關係不同,但光合作用速率與氮有正相關,氮含量與葉片乾物重仍可以做為光合作用效率的指標。
在成熟的C3植物葉片中,氮的分布大約是:75%於葉綠體中,5%於粒線體中,2.5%於過氧化體中,7.5%於細胞質中,10%於細胞壁中,在這些蛋白質中,用於光合作用的蛋白質約占全體蛋白質的54%。
在1962-2002的四十年間,每年的水稻、玉米、小麥年產量從682百萬噸提高至1752百萬噸,而氮肥生產量由每年13.6百萬噸提高至88.2百萬噸,兩者間約略為線性關係,每公噸的氮肥能提供約13.8噸的生產量。
在碳增加與有機氮化合物的形成之間需要一個平衡點。
根據植物生理學的計算,在25℃下,以現在的大氣二氧化碳濃度,生理循環中的每個氨大約能固定六個碳原子。
但當要新生成生物量時,假設植株含有2%氮,40%碳,則呼吸作用中大約有30%碳被固定,每個氨大概需要固定33個碳用以生成新的生物量。
目前研究者研究光合作用中的蛋白質,期待能增加光合作用時,每單位的氮所能固定的二氧化碳量。
Rubisco是二氧化碳固定與光呼吸的重要酵素,也占葉片中氮含量的很大部分,因此研究者著重於提升Rubisco的表現。
碳的固定與同化需要含氮蛋白的參與,當大氣中的二氧化碳的濃度提升,或試圖提高對二氧化碳的固定量時,將降低氮含量。
當禾本科作物充實時,氮會由葉片與莖重新進行分配。
當成熟時,地上部的氮會有80%-90%進入榖粒中。
因此當要增加產量且希望維持榖粒中的蛋白質含量(維持品質),除了增加光合作用中的碳固定,也需要額外提供氮肥,促使根部持續生長,增加肥料吸收效率,並在植物逐漸衰老時提供足夠的養分。
資料來源:
https://academic.oup.com/jxb/advance-article-abstract/doi/10.1093/jxb/ery366/5142912?redirectedFrom=fulltext
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