Dioxyde de carbone atmosphérique (CO2) devraient atteindre 550 ppm d'ici 2050. La concentration élevée de CO2 on prévoit que les niveaux augmenteront la fixation photosynthétique du carbone, réduiront la respiration des plantes et entraîneront une croissance foliaire et des rendements agricoles plus importants. La façon exacte dont les rendements devraient changer dépend de nombreux facteurs physiologiques, de l'architecture de la canopée et de l'environnement.
Docteurs Chanson Qingfeng et Xin-Guang Zhu avec deux collègues de l'Académie chinoise des sciences, de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign et de l'Université de Lancaster a intégré un modèle de photosynthèse de canopée 3D avec des données expérimentales antérieures de soja cultivé sous CO ambiant et élevé2 pendant toute une saison de croissance. Le modèle mathématique a permis aux chercheurs de disséquer la contribution de différentes réponses d'acclimatation (p.2 et 17.2 % du CO total de l'usine2 l'absorption était due à la structure de la canopée.
Les chercheurs ont utilisé des mesures antérieures de la Installation SoyFACE (enrichissement en CO2 à l'air libre) à l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign où le soja a été cultivé à une température ambiante (370 ppm) et élevée (550 ppm) de CO2 conditions. Les chercheurs ont rapporté une augmentation de 15 % des rendements de soja à 550 ppm et l'augmentation du rendement des cultures et de la biomasse a été attribuée à une augmentation du CO total2 l'absorption de l'ensemble de la canopée (c'est-à-dire la productivité primaire brute ; GPP).
Song et ses collègues ont utilisé un modèle de photosynthèse de la canopée ensoleillée et ombragée, divisant dynamiquement les feuilles d'une canopée en groupes ensoleillés et ombragés, et simulé l'environnement lumineux des plants de soja pendant 267 jours (toute la saison de croissance) à des intervalles de 3 jours. Le modèle mathématique plutôt complexe a démêlé les réponses environnementales (par exemple, température, lumière, CO2 concentration) de C3 photosynthèse des feuilles. Pour ne citer que quelques paramètres, le modèle inclus consistait à calculer la conductance stomatique, la température foliaire, le taux maximal de carboxylation sous Ribulose-1,5-bisphosphate (RuBP) et CO2 saturation, indice de surface foliaire, teneur en azote des feuilles dans différentes couches de la canopée, concentration intercellulaire de CO2 dans les feuilles et taux potentiel de transport photosynthétique des électrons.
La taille des feuilles était de 1.1 à 1.9 fois plus grande, la longueur et la largeur des feuilles ont augmenté de 10 à 90 % pour différentes feuilles et les distances entre les nœuds ont augmenté de 6 % sous un CO élevé.2 de plants de soja. Le CO2 "l'effet de fertilisation" a expliqué 76.7 % du GPP (c'est-à-dire le CO total2 absorption de l'ensemble de la canopée), suivie de l'architecture de la canopée (17.2 %). La modélisation a montré qu'il y avait un effet synergique du CO2 et lumière sur GPP qui a conduit à différents GPP lors de journées nuageuses et ensoleillées à différents stades de développement.
"[C]ette étude présente un nouveau cadre intégratif qui a couplé un modèle d'architecture de soja 3D explicite avec un algorithme de traçage de rayons et un modèle de photosynthèse des feuilles pour calculer la réponse photosynthétique de la canopée entière dans différents environnements", ont écrit Song et ses collègues.
"[A] en supposant un rapport racine: pousse fixe et une fraction fixe de respiration sombre, le modèle a prédit une augmentation de 21.4 % de la biomasse aérienne lors de l'augmentation de [CO2] de 370 à 550 ppm.
La plupart des différences ont été trouvées dans les premiers stades de développement et les jours ensoleillés ou nuageux ont un impact important sur le CO total de la plante.2 absorption.
"LAI [indice de surface foliaire] a augmenté d'environ 19 % sous [CO élevé2] qui a provoqué une augmentation de la respiration totale de la canopée ; cependant, la teneur en azote des feuilles sur la base de la surface foliaire diminue en moyenne de 3.9 % dans les cultures sous forte [CO2] à la suite de l'acclimatation à Rubisco », ont ajouté Song et ses collègues.
Ce nouveau modèle permet aux scientifiques de mieux comprendre et prédire la croissance du soja dans un contexte de changement climatique dans quelques décennies. Alors que les cultures peuvent pousser plus vite ou plus grandes sous un CO élevé2 environnement, culture les valeurs nutritionnelles pourraient diminuer.
