アフリカのキャッサバの遺伝子形質における光合成は、定常状態ではルビスコとメソフィルのコンダクタンスによって制限されているが、変動する光の中では気孔コンダクタンスによって制限されている

Photosynthesis across African cassava germplasm is limited by Rubisco and mesophyll conductance at steady state, but by stomatal conductance in fluctuating light.

• Amanda P De Souza
• Yu Wang
• Douglas J Orr
• Elizabete Carmo-Silva
• Stephen P Long

抄録

サハラ以南のアフリカでは、2035年までに食糧需要が55％増加すると予測されており、キャッサバ（Manihot esculenta）は最も広く栽培されている作物であり、主要なカロリー源である。第一次緑の革命の基礎となる遺伝的収量の向上は、光合成効率の向上によって実現することができる。まず、光合成を制限する要因とその遺伝的多様性を理解する必要がある。アフリカの農場で好まれている高収量品種 13 品種について、定常状態および変動光下での葉の光合成 CO 取込みに対する生化学的および拡散的な制限を分析した。その結果、光合成の制限を克服することの価値を定量化するために、キャッサバの葉の代謝モデルを開発した。定常状態では、生体内ルビスコ活性とメソフィルコンダクタンスが制限の84％を占めていた。日陰から日照への移行という非定常状態では、気孔コンダクタンスが主な制限要因であり、その結果、日周期間にわたって CO 取込みと水利用効率が 13%と 5%の損失と推定された。リン酸トリオースの利用率は観察された率を支えるのに十分であったが、それ自体が改善されない限り、葉の光合成の改善は 33%に制限されるであろう。また、非定常状態では、定常状態と比較して炭素同化のばらつきが 3 倍も大きく、キャッサバの光合成効率を向上させるための重要な育種目標が見落とされていた。

Sub-Saharan Africa is projected to see a 55% increase in food demand by 2035, where cassava (Manihot esculenta) is the most widely planted crop and a major calorie source. Yet, cassava yield in this region has not increased significantly for 13 yr. Improvement of genetic yield potential, the basis of the first Green Revolution, could be realized by improving photosynthetic efficiency. First, the factors limiting photosynthesis and their genetic variability within extant germplasm must be understood. Biochemical and diffusive limitations to leaf photosynthetic CO uptake under steady state and fluctuating light in 13 farm-preferred and high-yielding African cultivars were analyzed. A cassava leaf metabolic model was developed to quantify the value of overcoming limitations to leaf photosynthesis. At steady state, in vivo Rubisco activity and mesophyll conductance accounted for 84% of the limitation. Under nonsteady-state conditions of shade to sun transition, stomatal conductance was the major limitation, resulting in an estimated 13% and 5% losses in CO uptake and water use efficiency, across a diurnal period. Triose phosphate utilization, although sufficient to support observed rates, would limit improvement in leaf photosynthesis to 33%, unless improved itself. The variation of carbon assimilation among cultivars was three times greater under nonsteady state compared to steady state, pinpointing important overlooked breeding targets for improved photosynthetic efficiency in cassava.

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