Пшеница становится более устойчивой к климату благодаря природной селекции и машинному обучению
Азотные удобрения, используемые в сельском хозяйстве, вносят значительный вклад в глобальное потепление. Новая концепция селекции, разработанная специально для пшеницы, может помочь сократить использование азотных удобрений. Принцип голобионта ставит сложные взаимодействия между растениями и почвенными микробиомами в центр селекции. В сочетании с машинным обучением это может привести к использованию новых сортов пшеницы и других культур, более устойчивых к изменению климата и способствующих здоровью почвы.
Два недавних исследования под руководством Вольфрама Векверта из Венского университета, посвящённые этой концепции, опубликованы в журналах Plant Biotechnology и Trends in Plant Science.
Для увеличения поставок продовольствия и кормов интенсивное сельское хозяйство всё больше полагается на азотные (N) удобрения. Однако более половины азота, вносимого на сельскохозяйственные угодья ежегодно, теряется, попадая в воздух и воду. Эти потери приводят к серьёзным проблемам, включая загрязнение воздуха и воды, закисление почвы, изменение климата, истощение стратосферного озона и утрату биоразнообразия.
Следовательно, сокращение потерь азота с сельхозугодий может повысить экономическую отдачу за счёт снижения потребности в удобрениях, улучшить здоровье человека и экосистемные услуги, а также помочь смягчить последствия изменения климата.
Концепция голобионта: рассмотрение растений и микробов как единого целого
Векверт подчёркивает, что повышение устойчивости и урожайности сельскохозяйственных культур должно быть сосредоточено не только на самих растениях, но и на микробиоме, окружающем их корни и листья. Почвенные микробиомы также открывают возможности для повышения плодородия почвы и снижения зависимости от синтетических удобрений.
«Эволюция растений в значительной степени обусловлена взаимодействиями растений и микробов, однако экология растительного голобионта на молекулярном уровне изучена недостаточно. Тем не менее, эти отношения несут огромную пользу для устойчивого сельского хозяйства. Поэтому крайне важно выявить сорта растений, которые производят природные ингибиторы нитрификации, также известные как биологические ингибиторы нитрификации (BNI), — это экссудаты, выделяемые корнями в почву», — говорит Векверт.
Пшеница как естественный способ замедлить потерю азота
Международная команда исследовала потенциал различных сортов пшеницы производить BNI, которые помогают контролировать процессы нитрификации в почве. Они обнаружили выраженную естественную вариацию активности BNI у разных элитных линий пшеницы.
«Наш анализ корневых экссудатов — сложных соединений, выделяемых корневой системой, — показывает существенные различия между сортами пшеницы, — объясняет Ариндам Гхатак, первый автор исследования в Plant Biotechnology Journal. — Эти экссудаты способствуют или подавляют определённые составы микробиома и позволяют отбирать штаммы с особенно высокой активностью BNI».
Выращивая эти BNI-активные линии, фермеры в будущем могли бы значительно сократить потребность в азотных удобрениях. Это важный шаг для смягчения нарушения глобального азотного цикла, вызванного чрезмерным использованием антропогенных удобрений.
Основанная на данных селекция растений для устойчивого будущего
Для эффективного использования этого природного решения международная команда учёных во главе с Веквертом из лаборатории молекулярной системной биологии (MOSYS) и лаборатории биологии и экогеномики архей Венского университета разработала новую концепцию селекции.
При поддержке партнёрских учреждений в Греции, Австралии, Индии, Японии, Канаде, США и Мексике команда поместила концепцию голобионта в центр современной селекции растений, сосредоточившись на сложных взаимодействиях между растениями и почвенными микробиомами. С помощью инновационного подхода, основанного на данных, интегрируются генетика растений, исследования микробиома и PANOMICS для генерации данных высокой пропускной способности.
«В сочетании с алгоритмами машинного обучения это открывает многообещающую селекционную платформу для разработки новых сортов сельскохозяйственных культур с высоким потенциалом BNI, большей устойчивостью к изменению климата и улучшенным здоровьем почвы», — объясняет Векверт.
Таким образом, концепция голобионта знаменует смену парадигмы: она сочетает экологию, системную биологию и селекционные технологии, подчёркивая взаимосвязь экосистем, и открывает новые пути к ресурсоэффективному и устойчивому к климату сельскому хозяйству.