Исследование: модификация световой среды может максимизировать продуктивность сельхозкультур
В плотных полевых пологах культур верхние молодые «солнечные листья» получают полный свет, а нижние старые «теневые листья» — мало света. Для максимизации фотосинтеза и урожайности солнечные листья обычно оптимизированы для высокой освещенности, а теневые — для низкой.
Однако у некоторых важнейших культур маладаптация вызывает потерю фотосинтетической эффективности у нижних листьев, что ограничивает способность растений к фотосинтезу и формированию урожая. Чтобы решить проблему, важно было понять, вызвана ли она возрастом листьев или их измененной световой средой.
Ответ на этот вопрос дало исследование, опубликованное в Frontiers in Plant Science. Ученые из Университета Иллинойса и Оксфордского университета на примере кукурузы и биоэнергетической культуры мискантуса установили, что снижение эффективности нижних листьев связано не с их возрастом, а именно с измененной световой средой.
Работа проводилась в рамках программы Illinois Summer Fellows (ISF), которая позволяет студентам-бакалаврам заниматься исследованиями в области наук о растениях. Стипендиаты 2018 года Роберт Коллисон и Эмма Рэйвен вместе с Чарльзом Пиноном и Стивеном Лонгом подтвердили и углубили результаты предыдущих исследований в рамках проекта WEST (Water Efficient Sorghum Technologies), направленного на создание биоэнергетических культур с большей биомассой при меньшем потреблении воды.
Растения используют два основных типа фотосинтеза — C3 и C4. C4-растения имеют механизм концентрирования CO2 в листьях, что позволяет им фотосинтезировать эффективнее. Большинство растений относятся к менее эффективному C3-типу.
Оба типа листьев вносят вклад в ассимиляцию углерода. Нижний ярус листьев отвечает примерно за 50% общего углеродного баланса полога, поэтому его фотосинтез критически важен для урожая всего растения.
Предыдущие исследования C3-растений показали, что теневые листья обычно эффективнее солнечных при низкой освещенности, то есть адаптируются к своей среде. Однако более ранняя работа Пинона и Лонга показала, что это не так для всех растений. У C4-культур кукурузы и мискантуса теневые листья были менее фотосинтетически эффективны, что указывало на маладаптацию.
«Теневые листья получают очень мало света, поэтому обычно они становятся очень эффективными в его использовании, — говорит Чарльз Пинон, ныне физиолог растений в Benson Hill. — Однако у изученных нами C4-культур теневые листья не только получают мало света, но и используют его менее эффективно. Это очень затратная маладаптация у в остальном высокопродуктивных культур — мы называем это их ахиллесовой пятой».
В современных посевах кукурузы с 6–8 ярусами листьев большинство из них затенены и могут обеспечивать до половины роста растения в критическую фазу налива зерна.
«В предыдущем исследовании оценили, что эта маладаптация приводит к потере 10% потенциального фотосинтеза полога, — говорит Эмма Рэйвен. — Причин две: возраст листьев или световые условия. Мы исследовали, какой фактор вызывает эту неэффективность».
Коллисон и Рэйвен, соавторы новой статьи, собирали данные и анализировали максимальную квантовую эффективность фотосинтеза — максимальную эффективность использования света для ассимиляции углерода. Они сравнивали листья одного хронологического возраста, но из разных световых сред (в центре делянок и на освещенном южном краю). Это позволило показать, что низкая фотосинтетическая эффективность нижних листьев вызвана именно измененными световыми условиями, а не возрастом.
«Кукуруза и мискантус близки к сахарному тростнику и сорго, поэтому другие C4-культуры потенциально могут иметь эту потерю эффективности, вызванную световой средой, — объясняет Роберт Коллисон. — Найдя причину, мы можем начать искать решения, модифицируя растения для повышения их продуктивности».
Программа Illinois Summer Fellows
Программа ISF создает среду, где стипендиаты имеют необходимую независимость для развития как ученые, получая при этом поддержку руководителей. Стипендиаты работают с научным руководителем над конкретным элементом проекта, направленного на повышение фотосинтетической и/или водопользовательной эффективности культур.
«Возможность поехать в другую страну, проводить значимые исследования в реальных полевых условиях вместе с наставниками — бесценна, — говорит Стивен Лонг, основатель и руководитель программы ISF в Институте геномной биологии им. Карла Р. Вуза. — Наши стипендиаты отмечают, что этот опыт позволил им внести вклад в науку и приобрести ценные навыки для будущей карьеры».
Коллисон считает свой опыт в Иллинойсе уникальным для ученого на раннем этапе карьеры. Рэйвен подчеркивает ценность чувства ответственности за собственный проект, которое редко получаешь на лекциях или практических занятиях, и удовлетворение от участия в работе, которая в конечном итоге поможет фермерам выращивать пищу более устойчиво.