Повышение эффективности использования воды у полевых растений

Дефицит воды — один из наиболее значимых факторов, ограничивающих мировую сельскохозяйственную продуктивность. Исследователи по всему миру работают над повышением эффективности использования воды (water-use efficiency, WUE) у сельскохозяйственных культур.

В исследовании, опубликованном в Journal of Experimental Botany, международная команда ученых показала, что сверхэкспрессия фермента гексокиназы (hexokinase) в замыкающих клетках устьиц полевого табака улучшает внутреннюю эффективность использования воды (intrinsic water-use efficiency, iWUE) без снижения скорости фотосинтеза или производства биомассы.

Модельная культура и метод

  • В качестве модели использовался табак, так как с ним проще работать в лаборатории, теплице и поле.
  • Успешные результаты на табаке позволят в дальнейшем перенести разработку на продовольственные культуры: маниок, коровий горох, рис и сою.

Механизм действия

  • Во время фотосинтеза растения открывают устьица для поглощения CO₂, но при этом теряют воду через транспирацию.
  • Гексокиназа, экспрессируемая в замыкающих клетках устьиц (Arabidopsis Hexokinase 1, AtHXK1), сигнализирует о достаточном количестве сахара, что стимулирует закрытие устьиц и оптимизирует компромисс между поглощением CO₂ и потерей воды.

Результаты полевых испытаний

  • Конститутивная (общая) сверхэкспрессия AtHXK1 снижает продуктивность растений.
  • Целевая сверхэкспрессия AtHXK1 именно в замыкающих клетках улучшает iWUE по сравнению с диким типом, не оказывая негативного влияния на усвоение CO₂.
  • Наблюдаемый эффект сильно зависел от возраста листа, а недавние осадки могли нивелировать различия в эффективности.

Значение работы

Исследование демонстрирует потенциал создания растений с более экономным использованием воды в полевых условиях при умеренном водном дефиците и без значительных потерь урожайности. Это может уменьшить истощение почвенной влаги в течение сезона и снизить зависимость от орошения.

Работа выполнена в рамках международного проекта RIPE (Realizing Increased Photosynthetic Efficiency), целью которого является увеличение мирового производства продуктов питания за счет повышения эффективности фотосинтеза у сельскохозяйственных культур.

2022-08-08