OPTIMIZING PHOTOSYNTHESIS IN BARLEY TO INCREASE BIOMASS AND GRAIN YIELD

The stagnation in crop productivity requires urgent efforts to manage the exponential growth of the global population and the challenges posed by climate change. Adopting sustainable agricultural practices and restoring marginal lands can help improve crop yields while minimizing environmental impact. However, the major gains in productivity come from genetic improvements, with photosynthesis—the fundamental process of plant energy production—still holding great potential, as recent advances in genetic engineering have led to successful outcomes in this field. Two short-term strategies for improving solar energy conversion efficiency have been considered in this study. First, reducing the size of light-harvesting complexes—resulting in lower chlorophyll content in the leaves—promotes uniform light distribution throughout the canopy and minimizes photodamage in the upper leaves. Secondly, a faster activation and deactivation of Non-photochemical quenching (NPQ) kinetics, the quicker component of photoprotection, enhances the response to light fluctuations, thus reducing energy losses. With this thesis work, the induced genetic variability of barley—a leader crop model—was explored by searching for lines with altered chlorophyll content or NPQ kinetics. The pale-green mutant TM2490 was selected with a forward genetics approach and was in-depth characterized at the molecular level for its reduced chlorophyll content and enhanced photosynthetic performance. The mutation responsible for the pale-green phenotype was precisely mapped to the barley genome, resulting in an R298K substitution in the small subunit of Mg-chelatase, which regulates the branching step of chlorophyll biosynthesis. Novel alleles in the two genes controlling the xanthophyll cycle—Violaxanthin de-epoxidase (VDE) and Zeaxanthin Epoxidase (ZEP)—have been identified as promising candidates for NPQ modulation. Among the variants studied, variability in NPQ kinetics was observed, while plant growth and the photosynthetic apparatus remained unaffected. To further investigate the role of these alleles in response to fluctuating light, the genetic background of the mutants was cleaned to remove unwanted mutations, while two different NPQ traits were combined within a single plant.

Lo stallo della produttività agricola richiede sforzi urgenti per gestire la crescita esponenziale della popolazione globale e le sfide poste dai cambiamenti climatici. L'adozione di pratiche agricole sostenibili e il ripristino dei terreni marginali possono contribuire a migliorare le rese, riducendo al contempo l'impatto ambientale. Tuttavia, i maggiori contributi in termini di produttività derivano dal miglioramento genetico. In questo contesto, la fotosintesi, il processo alla base della produzione di energia nelle piante, offre ancora un grande potenziale, come dimostrato dai recenti successi ottenuti grazie ai progressi in ingegneria genetica. In questo studio sono state considerate due strategie a breve termine per migliorare l'efficienza della conversione dell'energia solare nel processo fotosintetico. In primo luogo, la riduzione della dimensione dei complessi di raccolta della luce—che comporta un minore accumulo di clorofilla nelle foglie—promuove una distribuzione più uniforme della luce attraverso la canopia e minimizza i danni da alta luce nelle foglie superiori. In secondo luogo, una più rapida attivazione e disattivazione delle cinetiche del Non-photochemical quenching (NPQ), il componente più rapido della fotoprotezione, migliora la risposta alle fluttuazioni luminose, riducendo così le perdite energetiche. Con questo lavoro di tesi, è stata esplorata la variabilità genetica indotta in orzo, un’importante specie modello, cercando linee con contenuto in clorofilla o cinetiche di NPQ alterate. Il mutante verde pallido TM2490 è stato selezionato attraverso un approccio di genetica diretta ed è stato caratterizzato nel dettaglio a livello molecolare per il suo basso contenuto in clorofilla e le sue migliori prestazioni fotosintetiche. La mutazione responsabile del fenotipo verde pallido è stata mappata con precisione sul genoma di orzo, risultando in una sostituzione R298K nella subunità piccola della Mg-chelatasi, un complesso enzimatico che regola lo step di ramificazione nella biosintesi della clorofilla. Nuovi alleli nei due geni che controllano il ciclo delle xantofille, Violaxantina de-epossidasi (VDE) e Zeaxantina Epossidasi (ZEP), sono stati identificati come candidati promettenti per la modulazione del NPQ. Tra le varianti studiate, è stata osservata una certa variabilità nella cinetica di NPQ, mentre la crescita delle piante e l'apparato fotosintetico sono rimasti inalterati. Per studiare ulteriormente il ruolo di questi alleli in risposta alle fluttuazioni luminose, il background genetico dei mutanti è stato pulito per rimuovere mutazioni indesiderate, mentre due diversi tratti legati alle cinetiche di NPQ sono stati combinati in un’unica linea.