Открытия в архитектуре корней могут помочь в создании засухоустойчивых культур
Ученые, изучающие, как выращивать растения, эффективнее использующие воду и лучше переносящие засуху, предлагают выводить новые сорта сельскохозяйственных культур на основе архитектуры их корневой системы, а не сосредотачиваться только на надземной части.
Самые видимые признаки теплового стресса и нехватки воды проявляются на листьях, но исследователи начали искать решения в «скрытой половине» — корнях.
«Можно утверждать, что последние 10 000 лет мы отбирали сорта культур на основе верхней половины и не фокусировались на этой скрытой части растений», — говорит профессор Малкольм Беннетт из Ноттингемского университета (Великобритания). — «Если бы мы могли отбирать новые сорта на основе архитектуры корней, мы могли бы значительно улучшить их способность добывать воду».
Более глубокие корни зерновых культур могли бы всасывать воду из более глубоких слоев почвы, а плотные поверхностные корни — лучше улавливать питательные вещества, такие как фосфор.
Решение для визуализации
Профессор Беннетт сканирует корни, растущие в почве, с помощью рентгеновской микро-компьютерной томографии (микро-КТ) — той же технологии, что используется в медицине. Его сканер в 3-4 раза больше типичного медицинского и уникален для наук о жизни в Европе.
Исследователи выращивают пшеницу в метровых ПВХ-трубах и сканируют корни на протяжении всего жизненного цикла. Делается более 8000 снимков, которые алгоритмы объединяют в 3D-изображение корней в почве. Поскольку растения выдерживают большую мощность рентгеновского излучения, разрешение очень высокое и позволяет видеть даже тончайшие корневые волоски.
Реакция на засуху
В рамках проекта FUTUREROOTS группа отсканировала сотни сортов пшеницы, чтобы увидеть их реакцию на жажду, сравнивая эффективные и неэффективные сорта.
«Мы заметили нечто увлекательное. Растения, наиболее эффективно использовавшие воду, меняли угол наклона корней при стрессе от засухи», — говорит профессор Беннетт. — «Более крутые углы корней позволяли им искать более глубокие источники воды».
С коллегами из США и Китая он недавно идентифицировал главные гены, контролирующие угол корней у кукурузы и риса.
«Чтобы поддерживать урожайность пшеницы здесь (в Великобритании), нам нужны новые сорта с корнями, которые растут как минимум на полметра глубже», — объясняет он.
Селекция культур с лучшей корневой системой также может снизить количество вносимых азотных удобрений, сократив затраты фермеров и вред для окружающей среды.
Изучение стратегий выживания
Ученые из Франции изучали сорняк Arabidopsis thaliana (Резуховидка Таля), чтобы понять, как корни оптимально используют скудную воду. В рамках проекта DROUGHTROOT они исследовали архитектуру корней, гормоны растений и аквапорины — специальные белки-каналы для воды в клетках.
Они обнаружили, что у растений есть план А и план Б при нехватке воды. «Одна стратегия — отрастить больше корней и лучше поглощать воду. Но при сильной засухе растение переходит к альтернативной стратегии: снижает активность своей корневой гидравлической системы и пытается защититься от обезвоживания», — поясняет координатор проекта доктор Кристоф Морель из Национального центра научных исследований (CNRS).
Это исследование выявило гены, белки и гормоны, участвующие в реакции растения на засуху.
Применение к кукурузе
Доктор Морель теперь применяет эти знания, полученные на лабораторном сорняке, к важной культуре — кукурузе, в рамках проекта HyArchi.
«Мы смогли измерить производительность разных сортов кукурузы. Мы видим заметные различия и генетическую изменчивость в гидравлике корней. Это важно и вселяет оптимизм, что мы можем использовать эту генетику (для выведения новых сортов)», — говорит он.
В сентябре группа сообщила, что нашла у Arabidopsis главный ген, участвующий в создании сосудов, транспортирующих воду внутри корней. Его модификация увеличила количество сосудов, что может быть полезно при засухе. Но обнаружился компромисс: «Чем больше сосудов на кончиках корней, тем более они уязвимы для вторжения почвенных бактерий», — отмечает доктор Морель.
Он подчеркивает, что такие фундаментальные исследования требуют долгосрочной перспективы: «Мы, возможно, поможем селекционерам не через пять лет, а через 10–20 лет. В любом случае, через 10–20 лет мы столкнемся с еще более серьезными проблемами засухи и изменения климата».