Вода имеет основополагающее значение для всего живого на Земле, включая сельхозкультуры, а с учетом того, что численность мирового населения, по прогнозам, к 2050 году достигнет 9,7 миллиардов человек, необходимо повысить урожайность сельскохозяйственных культур, требующих меньше воды и устойчивых к засухе. 

Ключ к этому может лежать в наследии диких родственников основных сельскохозяйственных культур, таких как пшеница и ячмень. Дикие предки сельхозкультур, пока недостаточно используемые в селекции генетические сокровища, таят в себе механизмы стрессоустойчивости, сформированные поколениями естественного отбора в суровых условиях окружающей среды.

Однако, существует так много различий между структурой и физиологией коммерческих сортов сельскохозяйственных культур и их дикими родственниками, что традиционные методы скрининга недостаточны для идентификации, анализа и интеграции дикорастущих культур в программы селекции.

«Наше исследование, опубликованное в журнале «New Phytologist», устанавливает систематический подход с использованием высокопроизводительных и неинвазивных методов визуализации, чтобы решить, какие дикие линии обладают полезными характеристиками для улучшения и должны быть рассмотрены для селекции, отходя от случайных открытий», пишут авторы статьи.

До недавнего времени лучший способ определить продуктивность сельхозккультур в ходе крупных полевых экспериментов заключался в том, чтобы сажать различные линии растений и оценивать их по внешнему виду и количеству произведенного зерна.

Но дикие родственники, как правило, сбрасывают семена, когда полностью созревают, поэтому их трудно судить по урожайности зерна, поэтому селекционеры часто дважды думают, прежде чем работать с ними.

Инновационные технологии дистанционного зондирования теперь меняют то, как мы описываем урожайность сельскохозяйственных культур. Это все равно что видеть за пределами того, что может уловить невооруженный глаз, и обнаруживать сигналы от множества световых волн, которые растения отражают от солнечного света или излучают в виде флуоресценции или тепла.

Как форма излучения, тепло излучается на длинах волн, недоступных человеческому зрению, но может быть измерено с помощью тепловых детекторов.

Отраженный солнечный свет дает массу информации об эффективности фотосинтеза растений: использование солнечного света, углекислого газа и воды для производства кислорода и энергии в виде сахара. Это можно точно измерить с помощью гиперспектральных датчиков изображения, которые собирают и обрабатывают информацию со всего электромагнитного спектра в сотнях или тысячах узких спектральных полос.

«Хотя использование дистанционного зондирования для изучения свойств растений уже популярно, мы повышаем его ценность, изучая, насколько эффективно растения используют воду, и объединяя эту информацию с технологиями гиперспектрального и тепловидения», поясняют цель работы авторы.

Понимание механизмов, с помощью которых древние культуры реагируют на колебания температуры, поможет раскрыть неизведанные возможности селекции растений и сделать исследования более целенаправленными.

В конечном итоге цель состоит в том, чтобы вывести новые коммерческие сорта из экологически адаптированных диких линий, открывая путь к устойчивому сельскому хозяйству путем преодоления существующего барьера определения того, какие дикие линии обладают неиспользованными характеристиками адаптации к засухе.

Это часто сложно определить, поскольку желаемые признаки могут различаться в зависимости от цели разведения и места выращивания.

Растения теряют воду в результате процесса, известного как транспирация, который происходит через устьица — те же самые каналы, позволяющие углекислому газу проникать на поверхность листьев.

Использование одного и того же входа и выхода означает, что существует неизбежный компромисс между сохранением воды и получением достаточного количества углерода для производства здорового зерна посредством фотосинтеза.

«Таким образом, наша методика скрининга учитывает этот компромисс для поиска растений, способных переносить длительные периоды нехватки воды, но способных возобновить здоровый рост после регидратации», отмечают авторы работы.

Как и в фильме «Дюне», где люди приспособились к очень засушливым условиям, растения пустыни выработали свои собственные методы.

Если мы подумаем о потоотделении человека как о транспирации растений, растения, которые хорошо адаптированы к засушливым условиям, выработали множество механизмов, которые позволяют им меньше «потеть» и экономить воду во время засухи, но при этом оставаться менее подверженными стрессу и здоровыми.

«Мы используем данные, полученные с помощью гиперспектральных и тепловых методов дистанционного зондирования, для создания индекса эффективности транспирации (iTE) на основе изображений — параметра для селекции растений, который относительно легко интерпретировать. Используя iTE, мы сможем затем определить хорошо адаптированные линии, которые демонстрируют такое эффективное использование воды в условиях засухи и при этом могут поддерживать свою способность возобновить рост. Хотя мы разработали iTE с учетом диких популяций, его применение может также распространиться на выращивание коммерческих культур», рассказывают исследователи. 

В отличие от традиционных методов селекции, которые ориентированы исключительно на урожайность при выборе сортов, индекс iTE можно интегрировать с классическими измерениями толерантности, чтобы принимать более полные и обоснованные решения о лучших диких линиях для селекции.

В сотрудничестве с Институтом устойчивого сельского хозяйства Испании, IAS-CSIC, команда обнаружила сильную связь между положительным изменением iTE в условиях засухи по сравнению с контролем с хорошим орошением и стабильностью урожайности коммерческих сортов пшеницы – чем больше увеличение iTE, тем меньше потери урожая.

Стабильность урожайности показывает, насколько хорошо культура сохраняет урожайность зерна в условиях засухи по сравнению с обычными условиями с хорошим поливом. Но существуют различные причины, по которым некоторые культуры лучше переносят засуху.

Например, как показывают исследования ученых Мельбурнского университета, одни растения могут продолжать эффективно фотосинтезировать, в то время как у других могут быть более глубокие корни, которые получают доступ к воде далеко под поверхностью. Последние могут отображаться как более прохладные на тепловых изображениях, поскольку они способны впитывать больше воды, позволяя растению продолжать транспирацию и снижая его температуру.

В ходе полевых испытаний трудно подтвердить, происходит ли эта транспирация из-за глубоких корней или эти растения просто держат свои поры (устьица) открытыми, независимо от нехватки воды. Данное исследование помогает разобраться в этой сложности, чтобы точно понять, как сельскохозяйственные культуры достигают стабильности урожайности.

Понимая, как растения поддерживают урожайность в конце сезона, можно более эффективно использовать лежащую в их основе генетику.

Как только определены многообещающие дикие линии, следующим шагом будет их модификация в соответствии со стандартными сельскохозяйственными практиками посредством процесса, известного как одомашнивание de novo.

«Этот метод ускоряет процесс, который люди использовали на протяжении тысячелетий для отбора и выращивания лучших культур. Вместо того, чтобы ждать поколения, сегодня мы используем передовые методы селекции, чтобы быстро добавить хорошие черты, характерные для одомашненных культур, непосредственно к диким, устойчивым к стрессу растениям. Эти нетрансгенные селекционные модификации дают культуры с нужной устойчивостью и подходящие для стандартных методов выращивания. Используя гиперспектральное дистанционное зондирование для выявления подходящих диких линий-кандидатов и одомашнивания de novo, чтобы сделать их доступными и желанными для производителей, мы можем совершить революцию в развитии сельскохозяйственных культур, адаптируя растения к изменяющемуся климату для удовлетворения растущего глобального спроса на продовольствие», заключают авторы работы. 

Источник: University of Melbourne. Авторы: Луис Мануэль Гуадаррама-Эскобар, Джеймс Хант, Эллисон Гурунг, Пабло Дж. Зарко-Техада и Мохаммад Пуркейрандиш.

Заглавное фото: Лукьянов Дмитрий, AgroXXI.ru.

Оригинал статьи на AgroXXI.ru