Новые методы сенсорного анализа выявляют засухоустойчивость древних культур и могут помочь в селекционных программах
Засуха — самое разрушительное экологическое испытание для фермеров во всем мире. Из-за изменения климата засушливые годы стали менее предсказуемыми, более частыми и более суровыми.
Вода — основа производства достаточного количества пищи для растущего населения, которое, по прогнозам, достигнет 9.7 миллиардов человек к 2050 году. Необходимо повышать урожайность культур, используя меньше воды.
Ключ к устойчивому сельскому хозяйству может лежать в генетическом наследии диких родственников основных культур, таких как пшеница и ячмень. Эти неиспользованные генетические сокровища хранят механизмы устойчивости к стрессу, сформированные поколениями естественного отбора в суровых условиях.
Хотя исследователи давно признали диких родственников источником устойчивости в генетических исследованиях, большинство таких открытий происходило случайно.
Между структурой и физиологией коммерческих сортов и их диких родственников так много различий, что традиционные методы скрининга неадекватны для их идентификации, анализа и интеграции в селекционные программы.
Исследование, опубликованное в New Phytologist, устанавливает систематический подход с использованием высокопроизводительных и неинвазивных методов визуализации для определения того, какие дикие линии несут полезные для улучшения культур признаки и должны рассматриваться для селекции, уходя от случайных открытий.
Взгляд за пределы видимого
До недавнего времени лучшим способом оценки урожайности в полевых экспериментах была посадка разных линий и их оценка по внешнему виду и количеству зерна.
Но дикие родственники, как правило, сбрасывают семена при полном созревании, что затрудняет оценку по урожайности зерна, поэтому селекционеры часто не решаются с ними работать.
Инновационные технологии дистанционного зондирования меняют подход к описанию продуктивности культур. Это позволяет видеть за пределами возможностей человеческого глаза, улавливая сигналы множества световых волн, которые растения отражают от солнечного света или излучают в виде флуоресценции или тепла.
Тепло, как форма излучения, испускается на длинах волн, невидимых для человека, но может быть измерено с помощью тепловых детекторов.
Отраженный солнечный свет предоставляет богатую информацию об эффективности фотосинтеза растений — процесса использования солнечного света, углекислого газа и воды для производства кислорода и энергии в виде сахара. Это можно точно измерить с помощью гиперспектральных сенсоров, которые собирают и обрабатывают информацию из сотен или тысяч узких спектральных полос по всему электромагнитному спектру.
Хотя использование дистанционного зондирования для изучения признаков растений уже популярно, исследователи усилили его, углубившись в эффективность использования воды культурой и объединив эту информацию с гиперспектральными и тепловизионными технологиями.
Понимание механизмов, которые древние культуры используют для реакции на колебания температуры, поможет раскрыть неисследованные возможности для селекции растений и сделает исследования более целенаправленными.
Конечная цель — выведение новых коммерческих сортов из экологически адаптированных диких линий, открывая путь для устойчивого сельского хозяйства через преодоление текущего барьера — определения того, какие дикие линии имеют неиспользованные адаптивные характеристики к засухе.
Это часто сложно определить, потому что желаемые признаки могут различаться в зависимости от цели селекции и места выращивания.
Дышать и пить через одну соломинку
Растения теряют воду через транспирацию, которая происходит через устьица — те же проходы, которые позволяют углекислому газу проникать в поверхность листа.
Использование одного и того же входа и выхода означает неизбежный компромисс между сохранением воды и получением достаточного количества углерода для производства здорового зерна посредством фотосинтеза.
Поэтому скрининговая техника учитывает этот компромисс, чтобы искать растения, способные выдерживать длительные периоды нехватки воды, но при этом возобновлять здоровый рост после регидратации.
Подобно людям в "Дюне", адаптировавшимся к очень сухим условиям, растения из пустынных сред разработали собственные способы справляться с засухой.
Если рассматривать человеческое потоотделение как транспирацию растений, то растения, хорошо адаптированные к засушливым условиям, выработали несколько механизмов, позволяющих им меньше "потеть" и экономить воду во время засухи, оставаясь менее подверженными стрессу и здоровыми.
Исследователи используют данные, собранные с помощью гиперспектральных и тепловизионных методов дистанционного зондирования, для создания индексного параметра на основе изображений — iTE (image-based transpiration efficiency). Этот параметр относительно легко интерпретировать для целей селекции растений.
Используя iTE, можно идентифицировать хорошо адаптированные линии, которые демонстрируют такое эффективное использование воды в условиях засухи и при этом сохраняют способность возобновлять рост.
Два в одном
Хотя iTE был разработан с учетом диких популяций, его применение также может распространяться на возделываемые коммерческие культуры.
Переходя от традиционных методов отбора, ориентированных исключительно на урожайность, индекс iTE можно интегрировать с классическими измерениями устойчивости для принятия более комплексных и обоснованных решений о лучших диких линиях для селекции.
В сотрудничестве с Институтом устойчивого сельского хозяйства в Испании (IAS-CSIC) было обнаружено сильное соответствие между положительным изменением iTE в условиях засухи по сравнению с хорошо орошаемым контролем и стабильностью урожая у коммерческих сортов пшеницы: чем больше увеличение iTE, тем меньше потери урожая.
Стабильность урожая показывает, насколько хорошо культура сохраняет урожай зерна в условиях засухи по сравнению с нормальными, хорошо орошаемыми условиями. Но есть различные причины, по которым одни культуры лучше держатся при засухе.
Например, некоторые растения могут продолжать эффективно фотосинтезировать, как предполагает исследование, в то время как другие могут иметь более глубокие корни, достигающие воды далеко под поверхностью.
Последние могут проявляться как более прохладные растительные покровы на тепловых изображениях, потому что они способны поднимать больше воды, позволяя растению продолжать транспирацию и снижая свою температуру.
Сложно подтвердить по полевому испытанию, вызвана ли эта транспирация глубокими корнями или же эти растения просто держат свои поры (устьица) открытыми, несмотря на нехватку воды. Данное исследование разбирает эту сложность, чтобы точно понять, как культуры достигают стабильности урожая.
Понимая конкретные способы, которыми растения поддерживают урожай к концу сезона, можно более эффективно использовать лежащую в основе генетику.
Культуры для будущего
После выявления перспективных диких линий следующим шагом будет их модификация для соответствия стандартным сельскохозяйственным практикам с помощью процесса, известного как de novo доместикация (новое одомашнивание).
Этот метод ускоряет процесс, который люди использовали на протяжении тысяч лет для отбора и выведения лучших культур. Вместо ожидания смены поколений, с помощью современных селекционных методов можно быстро добавить хорошие признаки, общие для одомашненных культур, непосредственно в дикие, устойчивые к стрессу растения.
Эти нетрансгенные селекционные модификации производят культуры, которые легче выращивать с использованием стандартных методов управления.
Используя гиперспектральное дистанционное зондирование для идентификации хороших кандидатов среди диких линий и de novo доместикацию для того, чтобы сделать их доступными и привлекательными для производителей, можно революционизировать развитие сельскохозяйственных культур, адаптируя растения к изменяющемуся климату для удовлетворения растущего мирового спроса на продовольствие.