Эволюция корневой системы кукурузы для повышения эффективности усвоения азота

Селекция кукурузы за последнее столетие, направленная на создание гибридов с улучшенными характеристиками побегов и высокой урожайностью, могла косвенно способствовать эволюции корневых систем, более эффективно поглощающих питательные вещества (например, азот) из почвы.

Это открытие указывает, что будущая селекция, напрямую отбирающая полезные корневые признаки, может повысить урожайность для растущего населения мира, одновременно снизив загрязнение от избытка азота и затраты фермеров на удобрения.

Контекст и методы исследования

• Половина прироста урожайности коммерческих гибридов кукурузы за 100 лет достигнута за счёт генетики растений, другая половина — за счёт агрономии (удобрения, высокая плотность посева).
• Гипотеза: за век селекции на урожайность корневые системы косвенно отбирались на более эффективную архитектуру и анатомию для поглощения азота.
• Исследователи из Penn State совместно с DuPont Pioneer изучили 16 сортов, представляющих коммерческую кукурузу США с начала 1900-х годов до наших дней.
• Сорта выращивали в полевых условиях при разном уровне азота (высокий/низкий) и трёх плотностях посева.
• Измеряли биомассу побегов, урожай и корневые признаки с помощью «шовеломики» (изучение архитектуры корней).
• Анатомию корней (размер и количество клеток, ксилемных сосудов, процент аэренхимы) анализировали с помощью лазерной абляционной томографии — высокопроизводительной технологии визуализации.

Результаты и выводы

• Новейшие коммерческие сорта показали лучшую продуктивность во всех агросредах, включая условия с низким содержанием азота.
• Эти сорта обладали корневыми признаками, которые, согласно более ранним исследованиям Penn State, повышают эффективность усвоения азота: меньше узловых корней, длиннее боковые корни, крупнее клетки коры.
• Результаты свидетельствуют, что корневая система кукурузы эволюционировала в сторону большей азотной эффективности за последнее столетие. Это также может указывать на повышенную эффективность использования воды.
• Для решения глобальных задач (рост населения до 10 млрд человек, необходимость увеличить производство пищи на 50% без расширения площадей) корни будут иметь центральное значение. Требуются дальнейшие исследования по оптимизации корневых признаков для разных питательных веществ (азот, фосфор) и различных сред.