Исследование угла наклона листьев кукурузы для повышения урожайности

Угол наклона листьев кукурузы напрямую влияет на способность растения поглощать солнечный свет, необходимый для фотосинтеза. Хотя селекционеры уже вывели гибриды с вертикальным, а не плоским расположением листьев для улучшения фотосинтеза и урожайности на плотных посевах, генетические механизмы, контролирующие этот признак, остаются малоизученными.

Междисциплинарная исследовательская группа под руководством Цзяньмина Ю из Университета штата Айова работает над их идентификацией. Для этого используются:

• Робот PhenoBot 3.0, разработанный в университете для захвата 3D-изображений кукурузы в поле.
• Транскриптомные инструменты и инструменты на основе CRISPR.

Цель исследования — понять базовую структуру признака, что в перспективе позволит создавать более урожайные гибриды.

"Знание точных генов и генетических механизмов сделает будущее селекции более эффективным", — отмечает Цзяньмин Ю, профессор агрономии. — "Кукуруза — модельная культура, и полученная информация может быть использована для улучшения других культур, таких как сорго и просо".

Кроме повышения урожайности (что снижает потребность в новых сельхозугодьях), эти генетические данные помогут адаптировать будущие гибриды к изменениям климата.

Робот в поле: новый подход к измерению

В отличие от предыдущих крупных исследований, изучавших один-два листа, новый подход учитывает, что угол наклона может варьироваться по всему пологу и вдоль стебля одного растения, влияя на количество света, достигающего каждого листа.

PhenoBot 3.0 перемещается по узким междурядьям, захватывая 3D-изображения тысяч растений под разными углами и на разной высоте. Алгоритм на основе искусственного интеллекта автоматически определяет и измеряет углы листьев от низа до верха каждого растения.

"На основе предварительных исследований, которые мы сравнивали с ручными измерениями, алгоритм очень точен", — говорит разработчик робота Лай Тан, профессор сельскохозяйственного и биосистемного инженеринга.

"С помощью этой технологии мы можем лучше связать данные с ДНК, чтобы pinpoint-гены и понять биологию. Здесь в игру вступают дополнительные исследования в области генетики развития и редактирования генов CRISPR", — добавляет Ю.

Вдохновляя будущих учёных

Исследователи отмечают, что их работа — пример того, как биологи, инженеры и растениеводы могут решать проблемы комплексно. Чтобы пробудить интерес у следующего поколения, команда будет работать с педагогами K-12, создавая школьные сады и помогая ученикам изучать биологию растений, сельское хозяйство и улучшение сельскохозяйственных культур.

"Мы хотим познакомить студентов с исследованиями угла наклона листьев и показать им, как биологи, селекционеры или генетики могут улучшить современное растение кукурузы, чтобы помочь накормить мир", — говорит Цзяньмин Ю.