Perspectives on improving photosynthesis to increase crop yield

Resumo

A melhoria da fotossíntese, o processo fundamental pelo qual as plantas convertem energia luminosa em energia química, é uma área-chave de pesquisa com grande potencial para aumentar a produtividade agrícola sustentável e enfrentar os desafios da segurança alimentar global. Esta perspectiva explora os últimos avanços e abordagens voltadas para a otimização da eficiência fotossintética. Nossa discussão abrange todo o processo, começando com a captação de luz e sua regulação e progredindo através do gargalo da transferência de elétrons. Em seguida, aprofundamo-nos nas reações de carbono da fotossíntese, focando em estratégias direcionadas às enzimas do ciclo de Calvin-Benson-Bassham (CBB). Adicionalmente, exploramos métodos para aumentar a concentração de dióxido de carbono (CO₂) próximo à Rubisco, a enzima responsável pela primeira etapa do ciclo CBB, inspirando-nos em vários organismos fotossintéticos, e concluímos esta seção examinando maneiras de melhorar a entrega de CO₂ para as folhas. Indo além de processos individuais, discutimos duas abordagens para identificar alvos-chave para a melhoria da fotossíntese: modelagem de sistemas e o estudo da variação natural. Finalmente, revisitamos algumas das estratégias mencionadas acima para fornecer uma visão holística das melhorias, analisando seu impacto na eficiência do uso de nitrogênio e na fotossíntese do dossel.

Abstract

Improving photosynthesis, the fundamental process by which plants convert light energy into chemical energy, is a key area of research with great potential for enhancing sustainable agricultural productivity and addressing global food security challenges. This perspective delves into the latest advancements and approaches aimed at optimizing photosynthetic efficiency. Our discussion encompasses the entire process, beginning with light harvesting and its regulation and progressing through the bottleneck of electron transfer. We then delve into the carbon reactions of photosynthesis, focusing on strategies targeting the enzymes of the Calvin–Benson–Bassham (CBB) cycle. Additionally, we explore methods to increase carbon dioxide (CO2) concentration near the Rubisco, the enzyme responsible for the first step of CBB cycle, drawing inspiration from various photosynthetic organisms, and conclude this section by examining ways to enhance CO2 delivery into leaves. Moving beyond individual processes, we discuss two approaches to identifying key targets for photosynthesis improvement: systems modeling and the study of natural variation. Finally, we revisit some of the strategies mentioned above to provide a holistic view of the improvements, analyzing their impact on nitrogen use efficiency and on canopy photosynthesis.