Yazarlar, Avrupa Birliği H2020 Programını (proje GAIN4CROPS, GA no. 862087) kabul etmektedir. AgroCropFuture Agroecology ve gelecekteki iklimlerde yeni mahsuller Mükemmeliyet Merkezi, Estonya Eğitim ve Araştırma Bakanlığı tarafından finanse edilmektedir. T. aestivum ve Z. mays'ın tohumlarını sağladığı için Profesör Evelin Loit-Harro'ya, yaprak kesitlerinin hazırlanmasındaki yardımları için Paula Palmet ve Vaiko Vainola'ya ve analiz konusundaki yardımları için João Paulo de Silva Souza'ya teşekkür ederiz. Tüm görüntüler Estonya Yaşam Bilimleri Üniversitesi mikroskopi ünitesinden çeşitli projeler kapsamında elde edildi.

1. Bitki büyüme koşulları
<ol><li>SırasıylaC3 ve C4bitkilerini temsili olarak buğday (Triticum aestivum L. Var. Kış Buğdayı, "Fredis") ve mısırı (Zea mays L. Var. Saccharata, "Golden Bantam") seçin. Her iki bitki türünü de tohumlardan çevre kontrollü bir büyüme odasında büyütün.</li>
	<li>55 saatlik ışık periyodu ile 25 °C/18 °C (gündüz/gece) hava sıcaklığı ile bağıl nemi %12'te tutun. Doğal yetiştirme koşullarını temsi...

C4 Mahsullerinde Fotosentetik Verimliliği Artırmak için Mikroskobik Analiz

Yazarlar herhangi bir çıkar çatışması beyan etmemektedir.

Bu yazıda, yaprak anatomisini ölçmenin hem nicel hem de nitel yöntemlerini ve bunların nasıl optimize edilebileceğini tartışıyoruz. Ayrıca, metodoloji,C3 veC4 kesitlerini ayırt etmede hangi anatomik özelliklerin en yararlı olduğunu belirlemek için temsili mahsul türlerine uygulanır. C2 fotosentezi olarak adlandırılan melez türler daha umut verici bir araştırma yolu haline geldiğinden, bu özellikleri anlamak çok önemlidir. Şu an itibariyle, sadece bir mahsul tü...

Fotosentez, ışık enerjisinin kimyasal enerjiye dönüştürüldüğü ve karasal trofik ağların temel taşı olarak hizmet eden temel bir süreçtir. Bitkilerin çoğu, birincil fotosentetik ürünün üç karbonlu bileşik gliserat 3-fosfat olduğuC3 fotosentez yolunu takip eder. C3 fotosentezi, 2 milyar yıldan fazla bir süre önce, CO2'de bol veO21'de düşük olan atmosferde gelişti. Bu koşullar altında gelişen anahtar fotosentetik enzim ribuloz 1,5 bifosfat karboksilaz/oksijenaz (Rubisco), O2 ile rekabetçi bir şekilde reaksiyona girerek fotorespirasyon2'yi başlattığı için mevcut düşük CO2 yüksek O2 koşulları için yetersizdir. Fotorespirasyon, enerjiyi üretmek yerine tüketen ve yan ürün olarak CO2 salan savurgan bir yoldur. Sonuç olarak, oksijenasyonu önlemek için kloroplastlarda Rubisco çevresinde yüksek CO2 konsantrasyonunun korunması çok önemlidir 3,4. C3 bitkilerinin CO2'yi konsantre edememesi nedeniyle, ortam havasından kloroplastlara önemli bir CO2 düşüşü olur, bu da fotosentezi engeller ve bitki büyümesini ve biyokütle üretimini etkiler 2,5,6.
C3 bitkilerinde fotosentez, CO2'nin stoma yoluyla girişi, mezofil yoluyla difüzyonu ve fotosentetik enzimlerin biyokimyasal aktivitesi ile sınırlıdır. CO2'nin girişi ilk olarak hava sıcaklığı ve nem gibi çevresel koşullar tarafından kontrol edilen stoma iletkenliği ile sınırlıdır. Daha sonra CO2 yaprağın iç gaz ve sıvı fazından Rubisco7'ye yayılır. C3 bitkilerinde, fotosentezin tüm aşamaları mezofil hücrelerinin kloroplastlarında meydana gelir ve bitkilerin atmosferden kloroplastlara sürekli bir CO2 akışı sağlaması gerekir. Kloroplastlardaki CO2 mevcudiyetinin stoma açıklığına, mezofil mimarisine ve bireysel hücre ve kloroplast özelliklerine bağımlılığı, bitkileri düşük su mevcudiyeti ve yüksek sıcaklıklar 7,8,9,10 gibi sonunda fotosentezi etkileyen çevresel kısıtlamalara karşı hassas hale getirir ve özellikle iklim değişikliği koşullarına karşı savunmasızlıklarını vurgular11.
C3 yolunun verimsizliklerinin ortaya çıkardığı zorlukların yanı sıra optimal CO2 seviyelerinin korunmasındaki sınırlamalar ve çevresel faktörlere duyarlılık göz önüne alındığında, bazı bitkilerde başka bir yol olanC4 fotosentez yolu gelişmiştir. Karakteristik olarak,C4 bitkilerinin mekansal olarak ayrılmış iki biyokimyasal yolu vardır; ilk CO2 fiksasyonu, mezofil hücrelerinde, CO2 için Rubisco'dan daha yüksek bir afiniteye sahip olan ve aynı zamanda oksijenasyon aktivitesinden yoksun olan fosfoenolpiruvat karboksilaz ile meydana gelir. OluşanC4 ürünü ayrıca dekarboksilatlandığı demet kılıf hücrelerine taşınır ve CO2 tekrar salınır ve Rubisco (C3 fotosentezi) ile sabitlenir12,13,14. PEP karboksilazın CO2'ye ve demet kılıf hücrelerinin kalın hücre duvarlarına daha fazla afinitesi, demet kılıf hücrelerinde CO2 konsantrasyonuna izin verir ve bu nedenle,C4 bitkileri, CO2 fiksasyonunu ve Calvin döngüsünü uzamsal olarak ayırarak fotorespirasyonu en aza indirir. C4 yolunun benimsenmesi, doğanın çevresel kısıtlamalara uyarlanabilir tepkisini sergileyerek, değişen iklim koşullarında mahsul verimliliğini ve direncini artırmak için potansiyel stratejiler hakkında içgörüler sunar15.
C4 bitkilerindeki yaprak yapısının özel anatomisi, kloroplast içeren genişlemiş vasküler demet kılıf hücreleri ile çevrili damarlar ve demet kılıf hücreleri etrafında bir dış halka deseninde mezofil hücrelerinin radyal bir düzenlemesi ile karakterize edilir. Özofil hücreleri, iki hücre tipi arasında metabolitlerin hızlı ve sürekli bir şekilde taşınmasını sağlayan demet kılıf hücrelerine yakındır. Bu hücrenin düzeniC4 bitkileri için tipiktir ve Kranz anatomisi16 olarak adlandırılır. C3 türlerinde, mezofil hücresi uzmanlaşması ve eğilimi değişebilir, ancak demet kılıf hücreleri belirgin şekilde daha küçüktür ve birkaç kloroplast içerir veya hiç kloroplast içermez. Spesifik Kranz anatomisi, C 3-karboksilatlayıcı enzim Rubisco'nun bulunduğu demet kılıf hücrelerindeki kloroplastlarda CO2'nin konsantre edilmesine izin verir ve fotorespirasyonu etkili bir şekilde engeller 4,17,18. Görünüşte karmaşık düzenlemesine rağmen, bu değişiklikler kapalı tohumluların evriminde bağımsız olarak birçok kez meydana gelmiştir, bu da bunun nispeten uygulanabilir bir evrimsel yol olduğunu gösterir 19,20,21 ve çeşitli taksonlarınC3-C 4 veya C2 olarak adlandırılan C3 ve C4 karbon metabolizması arasında bir ara aşamada olduğu gösterilmiştir. CO2 22,23,24,25'i konsantre etme ve yeniden özümseme yeteneklerine sahip olmak.
BirçokC4 bitkisi, yüksek ekonomik öneme sahip ürünlerdir ve iklim direncini artırmak ve verimi güvence altına almak için pirinç gibiC3 bitkilerinin genetik mühendisliği, son on yılda ilgi konusu olmuştur26,27. Bununla birlikte, mühendislik çabaları,C4 özel anatomisinin ve fotosentezi nasıl kontrol ettiğinin ayrıntılı bir şekilde anlaşılmasını gerektirir 2,28.
C4 Kranz anatomisini oluşturmak, C4 fotosentezini C3 ekinlerine25 mühendislik gibi iddialı bir hedefe ulaşmak için bir ön koşuldur. Bununla birlikte, Kranz anatomisinin düzenlenmesi ve temel anatomik özelliklerinin hızlı bir şekilde taranması için kullanılan yöntemlere ilişkin mevcut anlayış sınırlıdır ve bu da melez türlerin tanımlanmasını zorlaştırmaktadır. Önceki çalışmalar,C3 veC4 bitkilerinde fotosentetik verimliliği düzenleyen temel özelliklerin damarlar arası mesafeyi, demet kılıf kompleksinin çapını ve demet kılıf hücrelerinin boyutunuiçerdiğini göstermiştir 14,29. Bu özellikler, serbest el kesitleri kullanılarak kolayca taranabilir ve yarı ince kesitler kullanılarak kantitatif olarak analiz edilebilir. Burada, serbest el çapraz ve ışık mikroskobu yoluylaC3 veC4 anatomik farklılaşma teşhisine izin veren özellikleri, yani demet kılıf alanı, damarlar arası mesafe ve damar frekansını değerlendirme yöntemini açıklıyoruz.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Disodium hydrogen phosphate dihydrate (Na2HPO42H2O) pure</td>
			<td>PENTA, CZ</td>
			<td>10028-24-7</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Embedding Film, 7.8 mil Thick, 8 x 12.5, (203 x 318mm)</td>
			<td>ACLAR, US</td>
			<td>10501-10</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ethanol, abs. 100% a.r.</td>
			<td>Chem-Lab NV, BE</td>
			<td>CL00.0505.1000</td>
			<td>Danger: Highly inflammable liquid and vapour.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>EVOS Invitrogen FL Auto 2 Imaging System</td>
			<td>Thermo Fisher Scientific, US</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Flat Embedding PTFE Mold with Metal Frame, 16 cavities</td>
			<td>PELCO, US</td>
			<td>10501</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Glass vial 2 ml</td>
			<td>VWR Life Science, US</td>
			<td>548-0045</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Glutaraldehyde 50% solution</td>
			<td>VWR Life Science, US</td>
			<td>23H2856331</td>
			<td>Danger: Fatal if inhaled. Toxic if swallowed. Causes severe skin burns and eye damage. May cause respiratory irritation. Wear protective gloves, protective clothing, eyes and face protection.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Histo diamond knife</td>
			<td>Diatome, US</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>LEICA EM UC7</td>
			<td>Leica Vienna, AT</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>LR White resin hard grade</td>
			<td>Electron Microscopy Sciences, US</td>
			<td>14383</td>
			<td>Danger: Causes skin irritation. Causes severe eye irritation May cause respiratory irritation. May cause drowsiness or dizziness Wear protective gloves, protective clothing, eyes and face protection.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Microscope slides</td>
			<td>Normax, PT</td>
			<td>5470308A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Nikon Eclipse E600 and Nikon DS0Fi1 5 MP</td>
			<td>Nikon Corporation, JP</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Osmium Tetroxide (OsO4)</td>
			<td>Agar Scientific Ltd, GB</td>
			<td>R1019</td>
			<td>Danger: Fatal if swallowed, in contact with skin or if inhaled. Causes severe skin burns and eye damage Wear double protective gloves, protective clothing, eyes and face protection.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pipette and pipette tips</td>
			<td>Thermo Scientific, FI</td>
			<td>KJ16047</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sodium dihydrogen phosphate dihydrate (NaH2PO4 . 2H2O) pure</td>
			<td>PENTA, CZ</td>
			<td>13472-35-0</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Syringe 10 ml</td>
			<td>Ecoject, DE</td>
			<td>20010</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Toluidine blue, general purpose grade</td>
			<td>Fisher Scientific, GB</td>
			<td>2045836</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

assessing structural traits in triticum aestivum and zea mays for c3 and c4 photosynthetic differentiation using free-hand and semi-thin sections

C4 fotosentezinin C3 mekanizmasına kıyasla artan verimliliği, CO2'yi demet kılıf hücrelerinde konsantre etme yeteneğinden kaynaklanmaktadır. C4 fotosentezinin etkinliği ve içsel su kullanım verimliliği, mezofil ve demet yaprak hücrelerinin payı, demet kılıflarının boyutu ve yoğunluğu ve demet kılıf hücrelerinin boyutu, yoğunluğu ve hücre duvarı kalınlığı ile doğrudan bağlantılıdır. Bu özelliklerin hızlı mikroskobik analizi, geleneksel ışık mikroskobu kullanılarak serbest el ve yarı ince kesitler üzerinde gerçekleştirilebilir ve belirli hücre tiplerinin tanımlanması ve incelenmesi yoluylaC4 mahsullerinde fotosentetik verimlilik hakkında değerli bilgiler sağlar. Ek olarak, anatomik ölçümleri ve hücre tipi teşhislerini etkileyen serbest el ve yarı ince kesit hazırlama hatalarının yanı sıra bu hataların nasıl önleneceği de gösterilmektedir. Bu mikroskobik yaklaşım, çevresel varyasyona fotosentetik adaptasyon hakkında bilgi toplamak için etkili bir yol sunar ve gelecekteki iklimler için mahsullerin hızlı bir şekilde taranmasına yardımcı olur.

Photosynthesis is a fundamental process where light energy is converted into chemical energy, serving as the cornerstone of terrestrial trophic networks. The majority of plants follow the C3 pathway of photosynthesis, where the primary photosynthetic product is the three-carbon compound glycerate 3-phosphate. C3 photosynthesis evolved over 2 billion years ago in the atmosphere abundant in CO2 and low in O21. The key photosynthetic enzyme ribulose 1,5 bisphosphate carboxylase/oxygenase (Rubisco), which evolved under these conditions, is suboptimal for current low CO2 high O2 conditions as it competitively reacts with O2, initiating photorespiration2. Photorespiration is a wasteful pathway that consumes energy instead of producing it and releasing CO2 as a byproduct. Consequently, it is crucial to maintain high CO2 concentration around Rubisco in chloroplasts to prevent oxygenation3,4. Due to the inability of C3 plants to concentrate CO2, there is a significant CO2 drawdown from ambient air to chloroplasts, curbing photosynthesis and affecting plant growth and biomass production2,5,6.
In C3 plants, photosynthesis is limited by the entrance of CO2 through stomata, its diffusion through the mesophyll, and the biochemical activity of photosynthetic enzymes. The entry of CO2 is first limited by stomatal conductance, which is controlled by environmental conditions such as air temperature and humidity. Then CO2 diffuses through the leaf&#39;s internal gaseous and liquid phase to Rubisco7. In C3 plants, all stages of photosynthesis occur in the chloroplasts of mesophyll cells, and plants need to maintain a constant influx of CO2 from the atmosphere into chloroplasts. The dependence of CO2 availability in chloroplasts on stomatal openness, mesophyll architecture, and individual cell and chloroplast characteristics leaves plants susceptible to environmental constraints that eventually affect photosynthesis, like low water availability and high temperatures7,8,9,10, particularly highlighting their vulnerability to climate change conditions11.
Given the challenges posed by the inefficiencies of the C3 pathway, as well as limitations in maintaining optimal CO2 levels and susceptibility to environmental factors, in certain plants, another pathway, the C4 photosynthesis pathway, has evolved. Characteristically, C4 plants have two spatially separated biochemical pathways; the initial CO2 fixation occurs in mesophyll cells by phosphoenolpyruvate carboxylase, which has a higher affinity for CO2 than Rubisco and also lacks oxygenation activity. The formed C4 product is further transported to bundle sheath cells, where it is decarboxylated, and CO2 is again released and fixed by Rubisco (C3 photosynthesis)12,13,14. The greater affinity of PEP carboxylase to CO2 and thick cell walls of bundle sheath cells allows CO2 concentration in bundle sheath cells, and thus, C4 plants minimize the photorespiration by spatially segregating CO2 fixation and the Calvin cycle. The adoption of the C4 pathway showcases nature&#39;s adaptive response to environmental constraints, offering insights into potential strategies for improving crop productivity and resilience in changing climate conditions15.
The specialized anatomy of the leaf structure in C4 plants is characterized by veins surrounded by enlarged vascular bundle sheath cells containing chloroplasts and with a radial arrangement of mesophyll cells in an outer ring patterning around bundle sheath cells. The mesophyll cells are in close proximity to the bundle sheath cells, which enables a rapid and continuous transport of metabolites between the two cell types. This cell&#39;s arrangement is typical of C4 plants and is referred to as Kranz anatomy16. In C3 species, mesophyll cell specialization and disposition can vary, but bundle sheath cells are distinctly smaller and have a few chloroplasts or no chloroplasts at all. Specific Kranz anatomy allows concentrating CO2 in chloroplasts in bundle sheath cells where the C3-carboxylating enzyme Rubisco is located, effectively hindering photorespiration4, 17, 18. Despite its seemingly complex arrangement, these changes have occurred independently multiple times in the evolution of angiosperms, indicating that it is a relatively feasible evolutionary pathway19,20,21, and various taxa have been shown to be at an intermediate stage between C3 and C4 carbon metabolism, referred to as C3-C4 or C2, having abilities to concentrate and re-assimilate CO222,23,24,25.
Many C4 plants are crops with high economic importance, and genetically engineering C3 crops, like rice, to improve their climate resilience and secure the yield has been a topic of interest in the last decades26,27. However, the engineering efforts call for a detailed understanding of C4 specialized anatomy and how it controls photosynthesis2,28.
Establishing the C4 Kranz anatomy is a prerequisite to achieving the ambitious goal of engineering C4 photosynthesis into C3 crops25. However, the current understanding of the regulation of Kranz anatomy and methods for quickly screening its key anatomical traits is limited, making it difficult to identify hybrid species. Previous studies have shown that key traits regulating photosynthetic efficiency in C3 and C4 plants include the interveinal distance, the diameter of the bundle sheath complex, and the size of bundle sheath cells14,29. These traits can be easily screened using free-hand sections and quantitatively analyzed using semi-thin sections. Here, we describe the method of assessing the traits that allow for C3 and C4 anatomical differentiation diagnostics through free-hand cross and light microscopy, namely bundle sheath area, interveinal distance, and vein frequency.

Yazar Spotlight: İklime Dayanıklı Ürünler için Bitki Yapısı-İşlev İlişkilerini Anlamaya Yönelik Yenilikçi Yaklaşımlar

Triticum aestivum ve Zea mayslarında C3 ve C4 için Yapısal Özelliklerin Değerlendirilmesi Serbest El ve Yarı İnce Kesitler Kullanılarak Fotosentetik Farklılaşma

Our research focuses on plant structure, function relationships. We aim to better understand the limitations to photosynthesis across plant functional types and how they can be improved for climate-resilient crops. New technology and software are expensive and often inaccessible, which requires a degree of trial and innovation to accomplish the same resolutions in imaging different plant functional types.The identification of anatomical structures that differentiate C3 and C4 leaves, particularly in as well as troubleshooting the preparative steps for microscopy.

Şekil 1A , hem taze kesitleme hem de ışık mikroskobu için yaprağın kesitlendirilmesi için doğru yönü göstermektedir. Tek taraflı bir tıraş bıçağı ve bir diş cilası tabakası kullanarak taze kesitleri kesme yöntemi Şekil 1B'de görülebilir. Ortaya çıkan bölümler Şekil 1C'de gösterilmiştir.
Şekil 2 , C3 bitkisi T. aestivum ve ...

C3 veC4 yaprak kesitleri arasındaki anatomik farklılıkların değerlendirilmesi, fotosentez verimliliğinin anlaşılmasına yardımcı olur. Bu makale, Triticum aestivum ve Zea mays mahsul türleri için hazırlıktaki uyarılarla birlikte serbest el ve yarı ince yaprak kesitlerinin hazırlanması ve incelenmesini açıklamaktadır.

The enhanced efficiency of C4 photosynthesis, compared to the C3 mechanism, arises from its ability to concentrate CO2 in bundle sheath cells. The ...

assessing-structural-traits-triticum-aestivum-zea-mays-for-c3-c4

Research

JoVE Journal

Biology

Assessing Structural Traits in Triticum aestivum and Zea mays for C3 and C4 Photosynthetic Differentiation Using Free-hand and Semi-thin Sections

366 Views.  Estonian University of Life Sciences. Our research focuses on plant structure, function relationships. We aim to better understand the limitations to photosynthesis across plant functional types and how they can be improved for climate-resilient crops. New technology and software are expensive and often inaccessible, which requires a degree of trial and innovation to accomplish the same resolutions in imaging different plant functional types.The identification of anatomical structures that differentiate C3 and C4 leaves, p...