Исследование показывает, как получить больше урожая с каждой капли воды

Повышение производства пищи при ограниченной доступности воды имеет огромное значение для человечества. Однако наше текущее водопользование уже сегодня является неустойчивым. Тот факт, что листья растений теряют большое количество воды в процессе фотосинтеза, является главным ограничивающим фактором для увеличения урожаев во всем мире. Ученые из Технического университета Мюнхена (TUM) разработали подход к решению проблемы: им удалось заставить растения использовать воду более эффективно, не ограничивая их рост. Это стало возможным благодаря внутренней стратегии экономии воды у растений, которая позволяет им поглощать углекислый газ, минимизируя потерю воды.

Растения активируют этот водосберегающий режим, когда воды не хватает. Ученым TUM удалось идентифицировать активирующий сигнал и постоянно включить этот режим. Это возможное решение проблемы, заключающейся в том, что около 70% воды, потребляемой во всем мире, используется сельскохозяйственным сектором. Неустойчивый забор воды, в первую очередь сельским хозяйством, снижает уровень грунтовых вод на континентах. Ежегодно около 50 кубических миль воды (примерно в три раза больше годового объема воды, низвергающегося на Ниагарском водопаде) перемещается с суши в море, что способствует повышению уровня моря примерно на 30%. Согласно Глобальному отчету по сельскому хозяйству, спрос на воду сегодня в три раза выше, чем 50 лет назад. Прогноз на будущее: к 2050 году спрос на воду в сельском хозяйстве, как ожидается, увеличится еще на одну пятую.

Около 80% воды, выделяемой в атмосферу сушей, испаряется не сразу, а проходит через корни растений и поддерживает транспирацию листьев. Это делает поиск сельскохозяйственных растений с улучшенным использованием воды центральной задачей для сдерживания высокого водопотребления в сельском хозяйстве и обеспечения продовольственной безопасности в будущем.

Как растения регулируют газообмен

Растения контролируют обмен углекислого газа (CO₂) и водяного пара через поры, называемые устьицами, расположенные на их листьях. Закрытие устьиц снижает потерю воды, но также затрудняет поглощение CO₂. В зависимости от температуры и влажности поглощение молекул CO₂ обходится растениям примерно в 500–1000 молекул воды. Однако, когда воды не хватает, растения способны снижать внутреннюю концентрацию CO₂, делая его поглощение более эффективным.

«Растения способны сократить потерю воды во время поглощения CO₂ вдвое, — говорит профессор ботаники TUM Эрвин Грилл, — но они переключаются в этот водосберегающий режим только при нехватке воды». У сельскохозяйственных культур растения с постоянно активированной стратегией экономии воды сохраняли бы влагу в почве, чтобы использовать ее для роста и выживания позже, в периоды засухи.

Растительный гормон активирует водосберегающий режим

Как обнаружила команда ученых TUM, за включение водосберегающего режима отвечает растительный гормон абсцизовая кислота. Этот гормон вырабатывается в больших количествах при нехватке воды. У модельного растения Arabidopsis (резуховидка Таля) есть 14 рецепторов, ответственных за восприятие этого растительного гормонального сигнала. Мюнхенским исследователям удалось показать, что повышенная продукция некоторых из этих рецепторов заставляет растения переключаться в водосберегающий режим даже при достаточном количестве воды. Загвоздка в том, что только три из этих рецепторов не оказывали негативного влияния на рост растений. Можно было сэкономить до 40% от ранее требуемого объема воды без ущерба для производительности растения.

Первые эксперименты показывают эффект экономии воды в условиях, имитирующих полевые

«Следующий шаг — посмотреть, можно ли наблюдать эти водосберегающие эффекты и в полевых условиях», — говорит профессор исследований лугов TUM и соавтор исследования Ханс Шнайдер. Первые имитационные эксперименты, проведенные в фитотронах Центра Гельмгольца в Мюнхене, поддерживают это предположение.

«Предстоит выяснить, смогут ли сельскохозяйственные культуры, такие как пшеница, кукуруза и рис, производить больше биомассы при том же количестве воды, используя этот механизм, — говорит профессор Грилл. — Мы настроены оптимистично. Поскольку задействованные механизмы присутствуют у всех растений, должно быть возможно перенести эти результаты с модельного растения Arabidopsis на сельскохозяйственные культуры. Это был бы важный шаг к обеспечению будущей продовольственной безопасности».