Почти все на Земле знакомы с кукурузой. Буквально.
Во всем мире каждый человек съедает в среднем 70 фунтов зерна в год, причем еще больше выращивается для корма для животных и биотоплива. И по мере того, как население планеты продолжает стремительно расти, увеличение количества продуктов питания, выращиваемых на той же площади земли, становится все более важным.
Одним из возможных решений является выращивание культур, которые лучше работают при низких температурах. Многие люди не знают, что кукуруза является тропическим растением, что делает ее чрезвычайно чувствительной к холоду. Эта черта проблематична в умеренном климате, где средний вегетационный период составляет всего 4 или 5 месяцев, и где происходит более 60% его годового производства в 1,6 триллиона фунтов..
Стамм, устойчивый к холоду, может расширить широту выращивания урожая, а также позволить нынешним фермерам повысить производительность.
Группа исследователей во главе с Дэвидом Стерном, президентом Института Бойса Томпсона, сделала шаг вперед к этой цели, разработав новый вид кукурузы, который гораздо быстрее восстанавливается после похолодания. Стерн также является адъюнкт-профессором биологии растений в Колледже сельского хозяйства и наук о жизни Корнельского университета.
Исследование описано в статье, опубликованной в онлайн-журнале Plant Biotechnology Journal 20 декабря.
Эта работа основана на исследовании, опубликованном в 2018 году, которое показало, что повышение уровня фермента под названием Rubisco приводит к более крупным и быстро созревающим растениям. Рубиско необходим растениям для превращения атмосферного углекислого газа в сахар, а его уровень в листьях кукурузы резко снижается в холодную погоду.
В последнем исследовании Стерн и его коллеги выращивали растения кукурузы в течение трех недель при температуре 25°C (77°F), затем снизили температуру до 14°C (57°F) на две недели, а затем снова повысили ее. до 25°C.
«Кукуруза с большим количеством Rubisco показала себя лучше, чем обычная кукуруза до, во время и после охлаждения», - сказала Корали Салессе-Смит, первый автор статьи. «По сути, мы смогли уменьшить тяжесть холодового стресса и обеспечить более быстрое выздоровление». Во время исследования Салессе-Смит была кандидатом наук Корнелла в лаборатории Стерна, а сейчас она работает над докторской диссертацией в Университете Иллинойса.
Действительно, по сравнению с обычной кукурузой, искусственная кукуруза показала более высокую скорость фотосинтеза на протяжении всего эксперимента и быстрее восстанавливалась после холодового стресса с меньшим повреждением молекул, которые выполняют светозависимые реакции фотосинтеза.
Конечным результатом стало растение, которое выросло выше и быстрее дало зрелые початки кукурузы после холодного периода.
Стив Райнерс, один из руководителей овощной программы Cornell Cooperative Extension, говорит, что сладкая кукуруза является основной овощной культурой в Нью-Йорке и приносит около 40-60 миллионов долларов в год. Он отмечает, что многие нью-йоркские производители кукурузы сажают кукурузу, как только могут, потому что ранний урожай требует самых высоких цен в этом сезоне.
Райнерс, не участвовавший в исследовании, также является профессором садоводства в Корнеллском университете.
«Кукуруза, которую мы разработали, еще не полностью оптимизирована для устойчивости к охлаждению, поэтому мы планируем следующее поколение модификаций», - сказал Стерн. «Например, было бы очень интересно добавить в кукурузу устойчивую к охлаждению версию белка под названием PPDK и посмотреть, будет ли она работать еще лучше».
Исследователи считают, что их подход можно использовать и для других культур, использующих путь фотосинтеза С4 для связывания углерода, таких как сахарный тростник и сорго.
Соавторами статьи являются исследователи из Австралийского национального университета в Канберре.