В следующие два десятилетия урожайность сельскохозяйственных культур должна резко возрасти, чтобы прокормить растущее население планеты. Разве не было бы невероятно полезно, если бы у нас был хрустальный шар, показывающий, какие существуют наилучшие стратегии для повышения урожайности?
Группа ученых только что разработала именно это: динамическую модель, которая предсказывает, какие фотосинтетические манипуляции с растениями повысят урожайность пшеницы и сорго.
«Мы разработали надежный, биологически строгий инструмент прогнозирования, который может количественно оценить прирост урожайности, связанный с управлением фотосинтезом в реальных условиях выращивания», - сказал д-р Алекс Ву из Центра передового опыта ARC по трансляционному фотосинтезу (CoETP) и Университет Квинсленда (UQ).
Растения превращают солнечный свет, углекислый газ и воду в пищу посредством фотосинтеза, и несколько исследований показали, что этот жизненно важный процесс можно спроектировать, чтобы сделать его более эффективным.
"До сих пор было трудно оценить влияние этих манипуляций на урожайность. Этот инструмент прогнозирования поможет нам найти новые способы повышения урожайности продовольственных культур во всем мире."
Доктор Ву, ведущий автор статьи, опубликованной на этой неделе в журнале Nature Plants, сказал, что этот инструмент моделирования способен связать биологические масштабы от биохимии листьев до всей полевой культуры в течение вегетационного периода., путем интеграции моделей фотосинтеза и сельскохозяйственных культур.
«Это мощный инструмент для оценки и управления фотосинтетическими манипуляциями и выявления эффектов, которые смешивают взаимосвязь между эффективностью фотосинтеза и урожайностью», - сказал он.
Заместитель директора Центра профессор Сюзанна фон Каммерер сказала, что одним из самых инновационных аспектов исследования было использование подхода к межмасштабному моделированию для изучения взаимодействия между фотосинтезом и порами листа, которые обеспечивают обмен CO2 и водяного пара..
«Мы знаем, что это не так просто, как сказать, что улучшение фотосинтеза повысит урожайность. Ответ зависит от ситуации», - сказал профессор фон Каммерер, исследователь из Австралийского национального университета (ANU), который является соавтором. -автор исследования.
Например, мы обнаружили, что у таких культур, как сорго, более высокий фотосинтез может фактически снизить урожайность в условиях ограниченного полива. Моделирование предсказывает, что мы можем справиться с этим снижением урожайности, если мы также сможем поддерживать стабильный уровень углерода попадание диоксида углерода или выход водяного пара через поры листа».
Соавтор и главный исследователь Центра профессор Грэм Хаммер из UQ сказал, что это исследование способствует междисциплинарным исследованиям, необходимым для улучшения урожая в будущем.
"Он связывает исследования всего Центра, основной задачей которого является повышение урожайности основных сельскохозяйственных культур, таких как пшеница, рис, сорго и кукуруза, за счет усиления фотосинтеза."
«Теперь, когда мы разработали и протестировали эту прогностическую модель, наш следующий шаг - тесно сотрудничать с сотрудниками CoETP для разработки сценариев моделирования, которые проверяют влияние других целей биоинженерии и селекционных признаков», - сказал профессор Хаммер.
Одним из этих сотрудников является профессор ANU Грэм Фаркуар, соавтор исследования.
"В этом исследовании мы охватываем весь сезон роста сельскохозяйственных культур и учитываем влияние обратной связи на фотосинтез ресурсов для сельскохозяйственных культур, таких как вода, что имеет решающее значение для прогнозирования последствий для продуктивности сельскохозяйственных культур в будущих условиях выращивания в Австралии. ", - сказал главный исследователь Центра, профессор Фаркуар из Исследовательской школы биологии ANU.
Команда исследовала три основные мишени манипуляции фотосинтеза - повышение активности основного фотосинтетического фермента Rubisco; улучшение способности листьев транспортировать электроны; и улучшение потока углекислого газа (CO2) через внутренние слои листа.
«Это исследование позволяет нам количественно оценить влияние на урожайность этих трех целей и их комбинаций для посевов пшеницы и сорго в условиях орошения или засушливых земель», - сказал д-р Ву.
Команда обнаружила, что изменения урожайности варьируются от снижения на один процент до увеличения на 12 процентов, в зависимости от комбинации целей фотосинтеза, урожая и условий окружающей среды, таких как доступность воды.
Это исследование опубликовано в журнале Nature Plants и финансировалось Центром передового опыта по трансляционному фотосинтезу Австралийского исследовательского совета (ARC) при Австралийском национальном университете и Университете Квинсленда.