Использование биоразнообразия вместо пестицидов снижает ущерб урожаю от насекомых-вредителей
Исследователи из Цюрихского университета показали, что ущерб от насекомых-вредителей можно снизить, используя биоразнообразие внутри вида растений. Разные генотипы растений могут взаимодействовать, помогая отпугивать травоядных насекомых. Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.
Когда разные генетические типы одного вида растений смешивают и высаживают вместе, некоторые комбинации лучше сопротивляются вредителям и болезням. Этот положительный эффект биоразнообразия известен как ассоциативная резистентность.
Новый метод для анализа взаимодействий
Для 199 генотипов модельного растения Arabidopsis thaliana, собранных по всему миру, была доступна геномная информация. Исследователи случайным образом смешали и высадили более 30 особей каждого генотипа, всего 6400 растений. Было подсчитано 52 707 насекомых.
Для анализа того, какие геномные области лежат в основе взаимодействий между соседними растениями, команда разработала новый метод анализа — Neighbor GWAS. Этот метод применяет модель, используемую в физике для анализа взаимодействий между магнитами, к взаимодействиям между соседними растениями. Он исследует, как повреждение вредителями зависит от того, когда рядом находятся особи с определёнными генетическими последовательностями.
Результаты: снижение ущерба до 25%
Анализ показал, что во взаимодействиях с окружающими особями задействованы многочисленные гены. С помощью машинного обучения исследователи смогли предсказать ущерб от вредителей и выявили полезные комбинации генотипов, для которых прогнозировалась ассоциативная резистентность.
Последующий двухлетний полевой эксперимент с высадкой около 2000 растений парами генотипов с тремя разными прогнозируемыми уровнями резистентности показал:
- По сравнению с посадкой одного генотипа, смешивание двух генотипов с наивысшим уровнем ассоциативной резистентности снизило ущерб от вредителей на 24,8%.
- Для комбинаций со вторым по величине уровнем резистентности ущерб снизился на 22,7%.
Значение и перспективы
«С точки зрения фундаментальных исследований, это можно считать вехой в изучении взаимодействий между особями растений», — говорит директор департамента эволюционной биологии и экологических исследований Кентаро Шимидзу.
Исследование подчёркивает важность биоразнообразия в двух аспектах:
- Генетическое разнообразие самих сельскохозяйственных культур может снизить ущерб от вредителей.
- Сокращение использования пестицидов в сельском хозяйстве может способствовать сохранению биоразнообразия, включая разнообразие насекомых.
Мета-анализы показывают, что у таких культур, как пшеница или рис, урожайность увеличивается на 4–16%, если в поле смешивать случайные генотипы. Новый метод позволяет для важных сельскохозяйственных видов с известным геномом предсказывать смеси конкретных генотипов растений, которые максимизируют ассоциативную резистентность, что может ещё больше повысить урожайность и одновременно сократить использование пестицидов.