Компьютерное моделирование открывает новые горизонты в изучении архитектуры корней

Около миллиарда человек в мире страдают от недоедания. Джонатан Линч, профессор питания растений в Колледже сельскохозяйственных наук Университета штата Пенсильвания, использует информационные технологии для решения этой проблемы через изучение архитектуры корневых систем.

Его исследования сосредоточены на том, как улучшение корней растений может повысить урожайность и глобальную продовольственную безопасность, особенно в бедных странах Африки, Азии и Латинской Америки с бедными фосфором почвами и ограниченной водой.

Вместо традиционного подхода с увеличением внесения удобрений и орошения, который недоступен многим фермерам, Линч предлагает улучшать сами корни для эффективного извлечения питательных веществ из бедных почв.

Роль компьютерного моделирования

Характеристики и форма корней играют ключевую роль в поглощении воды и питательных веществ, таких как фосфор и азот. Для изучения этих признаков у основных культур — бобов и кукурузы — команда использует компьютерное моделирование, так как измерить эти факторы на реальных корнях в почве сложно.

Ключевые программы

• SimRoot: трёхмерная модель, созданная в лаборатории Линча, которая симулирует различные корневые системы и количественно оценивает такие факторы, как поглощение фосфора. С её помощью изучают эффективность глубоких и поверхностных корней, угол их роста, длину и плотность корневых волосков, а также корковую аэренхиму, повышающую засухоустойчивость кукурузы.
• RootScan: система анализа изображений для получения количественных анатомических данных из поперечных срезов корней.
• RootSlice: трёхмерное моделирование этих данных для функционального анализа in silico.

Практическое применение

Открытия, сделанные с помощью моделирования, уже применяются на практике:

• Поверхностные корни лучше работают в верхнем слое почвы.
• Длинные корневые волоски поглощают больше фосфора.
• Для кукурузы предпочтительны глубокие корни, так как азот легко вымывается из почвы.

Линч продвигает среди фермеров простой подход — «шовелонимику»: визуальное изучение корней лопатой, что зачастую доступнее и важнее для продовольственной безопасности в бедных странах, чем сложный геномный анализ.

Результаты

Сотрудничество с селекционерами привело к созданию новых генотипов бобов и сои, которые показывают повышенную урожайность на бедных фосфором почвах в Африке, Азии и Латинской Америке. Работа продолжается в Мозамбике, Малави, ЮАР, Китае, Эквадоре, Гондурасе, Никарагуа и Колумбии.