Теплые зимы снижают урожайность масличных культур: раскрыт механизм
Новаторские эксперименты с использованием нагреваемых полевых участков помогли объяснить связь между температурами в начале зимы и урожайностью некоторых важнейших полевых культур.
Ключевое открытие: цветочная почковая диапауза
Исследователи из John Innes Centre установили, что охлаждение (chilling) в конце ноября — начале декабря критически важно, так как оно стимулирует рост на ранней стадии цветочного развития растений.
- Было обнаружено, что у растений рапса масличного (oilseed rape) при слишком теплой зимней температуре может наступать фаза развития, известная как цветочная почковая диапауза.
- В этот период микроскопические, недавно сформированные почки остаются неактивными, ожидая низких температур как сигнала к росту.
- Ранее этот физиологический процесс был хорошо изучен у многолетних растений, но не был известен для однолетних культур (завершающих жизненный цикл за один сезон).
Результаты экспериментов
- Растения, подвергнутые охлаждению на этой ключевой стадии, развивались быстрее и давали более высокий урожай, формируя больше семян в стручке.
- Растения, выращенные в более теплых условиях, росли медленнее и были менее урожайными.
Методология: от лаборатории к полю
- Лабораторный этап: Использовались Controlled Environment Rooms, запрограммированные на симуляцию полного сезона роста на основе реальных погодных данных с фермы.
- Полевой этап: Эксперимент был воспроизведен на открытом воздухе с использованием системы нагреваемых полевых участков (heated field plot system) на экспериментальной станции Church Farm.
Результаты обоих этапов совпали: более теплые условия приводили к замедлению роста и снижению урожайности.
Молекулярный механизм
Анализ экспрессии генов в тканях почек показал, что на реакцию диапаузы на зимние температуры влияет хорошо известный ген ответа на охлаждение — FLC.
Значение для сельского хозяйства и климата
- Более ранние корреляционные исследования уже связывали температуры в конце ноября — начале декабря с урожайностью зимних однолетних культур (например, рапса). Разница в условиях в этом окне может объяснять до 25% вариации общего урожая.
- Ранее была известна важность температуры для процесса яровизации (vernalization), который происходит у рапса в октябре.
- Открытие второго температурно-чувствительного процесса — почковой диапаузы, происходящего позже в сезоне, позволяет точнее прогнозировать влияние изменения климата на производство культур.
- Это знание можно использовать для выведения сортов, менее чувствительных к температуре, что является одной из стратегий адаптации.
Исследование опубликовано в Proceedings of the National Academy of Sciences.