Skúmanie vplyvov zvýšeného CO 2 na potravinovú bezpečnosť

Štúdia poskytuje podrobný prehľad o vplyvoch zvýšenej koncentrácie oxidu uhličitého (CO2) v atmosfére na potravinovú bezpečnosť, zameriavajúc sa na asimiláciu živín, rast rastlín a kvalitu plodín. Autori zdôrazňujú, že hoci zvýšená hladina CO2 môže mať na bunkovej úrovni pre rastliny isté pozitívne účinky, ako je stimulácia fotosyntézy C3 rastlín, čo môže viesť k zvýšeniu fixácie dusíka (N2) až o 73 % a úrody obilnín o 10–11 %, existujú aj významné negatívne dôsledky pre kvalitu potravín a výživu.

Globálne zvýšenie atmosférickej koncentrácie CO2 už znížilo obsah dusíka v C3 plodinách a drevinách o 14 % a 21 % v uvedenom poradí, a to bez ohľadu na pridané dusíkaté hnojivá. Experimenty s izotopovým značkovaním 15N ukázali, že po 19 hodinách pod zvýšeným CO2 sa koncentrácia 15N v rôznych častiach rastliny Scirpus olneyi (S. olneyi) výrazne znížila. Okrem toho sa u S. olneyi prejavila znížená asimilácia amónneho iónu (NH4+), čo viedlo k poklesu obsahu aminokyselín v stonkách (glycín o 25,6 %, serín o 65,0 %) a koreňoch (GABA o 2 %, glutamát o 80 %). Znížil sa aj obsah proteínov v pšenici (o 7,4 %) a obsah minerálnych živín v zrnách ryže a kukurice (fosfor, síra, železo, zinok, meď, mangán). Predpokladá sa, že celkovo sa koncentrácie minerálov v C3 rastlinách znížia o 8 % pod zvýšeným CO2, zatiaľ čo obsah neštrukturálnych sacharidov (škrob a cukry) sa zvýši. Tieto zmeny môžu zdvojnásobiť výskyt globálnej proteínovo-energetickej malnutrície a nedostatku mikroživín, najmä v Afrike. Zvýšenie sacharidov by mohlo prispieť k nárastu výskytu cukrovky. Negatívne účinky na ryžu, kukuricu a pšenicu poukazujú na zvýšenie globálnej potravinovej neistoty s rastúcou koncentráciou CO2.

Napriek negatívnym dopadom na kvalitu, zvýšené CO2 stimuluje rast a fotosyntetickú aktivitu C3 rastlín. Mnohé štúdie potvrdili zvýšenie produkcie sušiny a úrody zrna u C3 rastlín pod zvýšeným CO2. Napríklad biomasa jarnej pšenice a výnos zrna sa zvýšili o približne 11 % a 10,4 % v podmienkach zvýšeného CO2. Avšak kombinácia zvýšeného CO2 a vysokej teploty môže mať negatívny vplyv na výnosy pšenice a ryže.

Dokument sa zaoberá aj vplyvom zvýšeného CO2 na mikrobiálnu fixáciu dusíka. Zistilo sa, že zvýšené CO2 stimuluje nitrogenázovú aktivitu u asociatívnych diazotrofov v koreňoch C3 rastlín, ako je S. olneyi, a zvyšuje inkorporáciu 15N. Podobne sa zistilo, že aj nesymbiotická fixácia dusíka v pôde bez rastlín sa zvyšuje pod zvýšeným CO2. V prípade legúm sa ukázalo, že obohatenie CO2 zvyšuje fixáciu dusíka a stimuluje fotosyntetickú účinnosť. Legúmy by mohli mať v meniacej sa klíme výhodu vďaka svojej schopnosti zmierniť fotosyntetickú aklimatizáciu.

Správa podrobne rozoberá zníženie príjmu a asimilácie dusičnanov (NO3-) a amónnych iónov (NH4+) u C3 rastlín pod zvýšeným CO2, čo vedie k zníženiu obsahu dusíka v tkanivách. Zistilo sa, že pri zvýšenom CO2 dochádza k inhibícii nitrátovej asimilácie, zníženiu aktivity nitrátreduktázy a nitritreduktázy, inhibícii tvorby listových proteínov a poklesu hladín NO3-, NH4+ a aminokyselín. Na úrovni príjmu živín sa zistila súvislosť medzi absorpciou minerálnych živín a transpiráciou. Znížená transpirácia v dôsledku zníženej stomatálnej vodivosti pod zvýšeným CO2 môže ovplyvniť príjem živín. Štúdie ukázali, že inhibícia asimilácie 15N u S. olneyi pod zvýšeným CO2 nastáva v počiatočnom kroku premeny minerálneho dusíka na aminokyseliny cez GS-GOGAT dráhu. Znížená koncentrácia 15N v tkanivách viedla k výraznému poklesu hladín aminokyselín.

Správa tiež zdôrazňuje zmeny v koncentráciách minerálnych živín (ionomika) pod zvýšeným CO2. Zistilo sa zníženie obsahu makroživín (sodík, vápnik, horčík, fosfor, síra) a mikroživín (železo, zinok, mangán) v zrnách pšenice, ryže a kukurice. Tieto zmeny majú negatívne dôsledky pre ľudskú výživu a zdravie. Mechanizmy znižovania obsahu minerálov nie sú úplne jasné, ale predpokladá sa, že súvisia so zníženou transpiráciou a možnou reguláciou transportérov iónov v koreňoch.

Autori navrhujú využitie pozitívnych účinkov vysokého CO2 na rast rastlín na zníženie globálneho otepľovania a obnovu zdravia planéty. Navrhujú šľachtenie plodín s prirodzene vyšším obsahom živín (biofortifikácia) A povinné výsadby stromov, najmä ekonomicky významných N2-fixujúcich drevín, kríkov a tráv. Podpora konzumácie strukovín by mohla znížiť produkciu metánu z hospodárskych zvierat. Projekt Veľkého zeleného múru Afriky je príkladom iniciatívy, ktorá využíva zvýšené CO2 na podporu rastu vegetácie a sekvestráciu uhlíka.

V závere štúdia  poukazuje na paradoxný vplyv zvýšeného CO2 na dusík, ktorý stimuluje fixáciu dusíka, ale zároveň znižuje jeho príjem a asimiláciu. Zdôrazňuje sa riziko pre globálnu potravinovú bezpečnosť a výživu v dôsledku zníženia obsahu proteínov a minerálnych živín v hlavných obilninách, čo by mohlo viesť k zvýšeniu podvýživy a nedostatku mikroživín. Na vyriešenie týchto problémov je potrebný ďalší výskum fyziologických, molekulárnych, metabolických a ekologických reakcií C3 rastlín na zvýšené CO2, ako aj využitie AI v šľachtení. Wiosna

Štúdia je publikovaná v Engineering .

---

Glosár kľúčových pojmov

• Asimilácia živín: Proces, pri ktorom rastliny prijímajú a začleňujú anorganické živiny (ako je dusík a minerály) do organických zlúčenín potrebných pre rast a vývoj.
• Diazotrofia: Schopnosť mikroorganizmov fixovať atmosférický dusík (N2) a premieňať ho na amoniak (NH3), formu dusíka dostupnú pre rastliny.
• Fixácia dusíka (N2 fixácia): Premena atmosférického dusíka na zlúčeniny dusíka, ktoré môžu využívať rastliny a iné organizmy. Môže byť biologická (prostredníctvom mikroorganizmov) alebo priemyselná (Haber-Boschov proces).
• Fotosyntéza: Proces, pri ktorom rastliny využívajú svetelnú energiu na premenu oxidu uhličitého a vody na organické zlúčeniny (cukry) a kyslík.
• GS-GOGAT: Hlavná metabolická dráha v rastlinách na asimiláciu amoniaku, zahŕňajúca enzýmy glutamín syntetázu (GS) a glutamát syntázu (GOGAT).
• Ionomika: Štúdium celkového iónového zloženia buniek, tkanív alebo celých organizmov, vrátane minerálnych živín a stopových prvkov.
• Neštrukturálne sacharidy: Zásobné sacharidy v rastlinách, hlavne škrob a rozpustné cukry, ktoré slúžia ako zdroj energie.
• Nutričná kvalita: Obsah a dostupnosť esenciálnych živín (ako sú bielkoviny, vitamíny a minerály) v potravinách.
• Prieduchová vodivosť: Miera otvorenia prieduchov na povrchu listov, ktorá ovplyvňuje výmenu plynov (CO2 a O2) a transpiráciu vody.
• Rastliny C3: Rastliny, ktoré ako prvý produkt fotosyntézy tvoria trojuhlíkovú zlúčeninu (3-fosfoglycerát). Patria sem napríklad ryža, pšenica a sója.
• Rastliny C4: Rastliny, ktoré majú špecializovaný mechanizmus koncentrácie CO2 okolo enzýmu Rubisco a ako prvý produkt fotosyntézy tvoria štvoruhlíkovú zlúčeninu. Patria sem napríklad kukurica a cirok.
• Rhizobiómy: Pôdne baktérie, ktoré vytvárajú symbiotický vzťah s koreňmi strukovín, v ktorých fixujú atmosférický dusík.
• Rubisco (ribulóza-1,5-bisfosfát karboxyláza/oxygenáza): Kľúčový enzým v procese fotosyntézy, ktorý katalyzuje fixáciu oxidu uhličitého.
• Transpirácia: Proces odparovania vody z rastlín, hlavne cez prieduchy na listoch.