Исследование для селекции сельскохозяйственных культур в условиях изменения климата

С помощью инновационных статистических методов исследователи на примере пшеницы изучили сложное взаимодействие жизненного цикла, факторов окружающей среды и генетической информации.

Зерновые культуры, такие как пшеница, чувствительны к изменению климата. Многие исследования показывают, что их урожайность снижается по мере роста температур и учащения экстремальных погодных явлений.

Команда под руководством профессора сельскохозяйственных наук Тсу-Вэя Чена из Университета Гумбольдта в Берлине разработала новый статистический метод. С его помощью исследователи смогли показать, что в жизненном цикле растений существуют определённые временные окна, в течение которых такие переменные окружающей среды, как температура или осадки, оказывают особенно сильное влияние на последующую урожайность.

Насколько велики потери урожая в неблагоприятных условиях, также зависит от генетического состава отдельных сортов. Эти выводы могут дать важную информацию для будущей селекции стрессоустойчивых сортов пшеницы. Результаты опубликованы в журнале Nature Plants.

Изменение климата уже приводит к неурожаям

Озимая пшеница — одна из важнейших культур в мире, имеющая решающее значение для продовольственной безопасности. На размер урожая влияет множество факторов: температура и количество осадков, качество почвы, тип возделывания или используемый сорт. Изменение климата уже приводит к серьёзным потерям урожая.

«Уже известно, что озимая пшеница очень чувствительна к высоким температурам в период цветения, примерно с конца мая до начала июня», — объясняет Тсу-Вэй Чен. Если в этот период температура поднимается выше 30 градусов Цельсия, скорость оплодотворения резко падает из-за повреждения пыльцы. Растение формирует мало зёрен, и урожайность остаётся низкой. В жизненном цикле пшеницы существует множество таких особых временных окон, когда она чувствительно реагирует на различные воздействия окружающей среды.

Новый метод выявляет сложные взаимосвязи

«Только в Германии существуют сотни сортов пшеницы, и все они имеют разные характеристики, — говорит Тсу-Вэй Чен. — Практически невозможно детально охарактеризовать все сорта в полевых экспериментах, чтобы определить все их сильные и слабые стороны и взаимодействие с окружающей средой».

Чтобы лучше понять эти взаимосвязи, исследователи разработали статистический метод и применили его к данным полевых экспериментов с 220 различными сортами озимой пшеницы, выращенными на шести испытательных участках по всей Германии в течение трёх сезонов подряд.

Для каждого участка, сорта и года эксперимента определялись данные о почве и ключевых компонентах урожайности: количество зёрен в колосе, число колосьев и масса тысячи зёрен. Эти данные были объединены с моделями роста и выбранными погодными данными из соответствующего региона для 81 различного временного окна за сезон.

С помощью нового статистического метода исследователи не только подтвердили все уже известные чувствительные фазы развития, но и выявили новые ключевые моменты в жизненном цикле растения. Они также смогли определить, какие факторы окружающей среды являются решающими в эти периоды и насколько сильно реагируют на них отдельные сорта.

Например, было обнаружено, что ночная температура до цветения влияет на размер зерна, что осадки после цветения всё ещё увеличивают количество колосьев, и что на поздней стадии налива зерна в конце июля интенсивность солнечного излучения влияет на вес зрелых зёрен.

Селекция стрессоустойчивых сортов

«Мы обнаружили не только новые чувствительные временные окна, но и случаи стрессоустойчивости у определённых сортов», — говорит Тсу-Вэй Чен. Эти выводы особенно важны для будущей селекции, чтобы можно было выявлять сорта и генетические ресурсы, менее чувствительные к колебаниям окружающей среды и способные стабильно давать урожай.

Кроме того, новые методы позволяют прогнозировать урожайность зерновых культур в будущих климатических условиях. «Наши результаты открывают новые пути для будущих исследований и ставят несколько нерешённых вопросов. Например, необходимо изучить, какие физиологические процессы и механизмы регулируют чувствительность и с какими генетическими регионами и генами это связано», — объясняет исследователь.