Ученые-аграрии, изучающие изменение климата, часто сосредотачиваются на том, как повышение уровня углекислого газа в атмосфере повлияет на урожайность сельскохозяйственных культур. Но повышение температуры, вероятно, усложнит картину, сообщают исследователи в новом обзоре на эту тему.
В обзоре, опубликованном в Journal of Experimental Botany, исследуется, как более высокие температуры влияют на рост и жизнеспособность растений, несмотря на большую доступность атмосферного CO2, ключевого компонента фотосинтеза.
Чрезмерная жара может снизить эффективность ферментов, управляющих фотосинтезом, и может помешать растениям регулировать поглощение CO2 и потерю воды, пишут исследователи. Структурные особенности могут сделать растения более или менее восприимчивыми к тепловому стрессу. Атрибуты экосистемы, такие как размер и плотность растений, расположение листьев на растениях или местные атмосферные условия, также влияют на то, как тепло повлияет на урожайность.
В обзоре описаны последние научные усилия по решению этих проблем.
«Важно иметь представление об этих проблемах в разных масштабах - от биохимии отдельных листьев до влияний на уровне экосистемы - чтобы действительно решать эти проблемы осознанным образом», - сказала ведущий автор Кейтлин Мур, научный сотрудник Университета Западной Австралии и аффилированный научный сотрудник Института устойчивого развития, энергетики и окружающей среды Иллинойсского университета Урбана-Шампейн. Мур провел обзор вместе с Амандой Кавана, еще одной выпускницей U. of I., которая сейчас работает в Университете Эссекса в Великобритании
"Исторически большое внимание уделялось повышению концентрации CO2 и его влиянию на растения", - сказал соавтор Карл Бернакки, профессор биологии растений. и наук о сельскохозяйственных культурах и филиал Carl R. Институт геномной биологии Вёзе в Университете Иллинойса. «И это важный фактор, потому что мы сильно меняем концентрацию углекислого газа. Но это лишь малая часть большой истории. полностью искажает наше понимание того, как будут реагировать растения».
«Возьмите Рубиско, ключевой фермент, который превращает углекислый газ в сахара, делая возможной жизнь на Земле», - сказал Кавана. «Rubisco ускоряется при повышении температуры, но он также склонен к ошибкам».
Вместо того, чтобы фиксировать углекислый газ, связывая его с сахарами, что является ключевым этапом фотосинтеза, Rubisco иногда фиксирует кислород, инициируя другой путь, который тратит впустую ресурсы растения. По словам Кавана, более высокие температуры делают это более вероятным. При еще более высоких температурах фермент начинает терять свою структурную целостность, что делает его неэффективным.
Чрезмерная жара также может подорвать репродуктивную способность растения. Другие чувствительные к теплу ферменты необходимы для светособирающего механизма растений или играют роль в перемещении сахаров в различные ткани растения, позволяя растению расти и производить зерна или плоды.
«Если эти маленькие молекулярные машины вытолкнуть за пределы оптимального температурного диапазона, они не смогут выполнять свою работу», - сказал Кавана.
Когда температура поднимается слишком высоко, листья растений открывают поры на своей поверхности, называемые устьицами, чтобы охладиться. Устьица также позволяют растениям поглощать углекислый газ из атмосферы, но когда они полностью открыты, лист может потерять слишком много влаги.
"Температура влияет на атмосферу над заводом", сказал Мур. «По мере того, как атмосфера нагревается, она может удерживать дополнительную воду, поэтому она вытягивает больше воды из растений».
Ученые из Иллинойса и других стран ищут способы повышения устойчивости сельскохозяйственных культур перед лицом этих изменений. Мур, чья работа сосредоточена на факторах в масштабе экосистемы, сказал, что новые инструменты, которые могут помочь экранировать растения в больших масштабах, необходимы для этих усилий. Например, спутники, которые могут обнаруживать изменения флуоресценции хлорофилла в растениях, могут указать, испытывает ли культура тепловой стресс. Эти изменения флуоресценции можно обнаружить до того, как растение проявит какие-либо внешние признаки теплового стресса, например, его листья станут коричневыми. Разработка этих инструментов может позволить фермерам быстрее реагировать на стресс урожая до того, как будет нанесен слишком большой ущерб.
Кавана, изучающий молекулярную биологию и физиологию растений, сказал, что некоторые растения более устойчивы к жаре, чем другие, и ученые ищут в их геномах ключи к их успеху.
«Например, вы можете посмотреть на диких австралийских родственников риса, которые растут в гораздо более суровом климате, чем большинство рисов-сырцов», - сказала она. «И вы видите, что их ферменты настроены на более эффективную работу при более высоких температурах».
Одна из целей - передать гены теплостойкости культивируемым сортам риса, которые более восприимчивы к тепловому стрессу.
Другие стратегии включают инженерные сооружения, которые перекачивают больше CO2 в место фиксации углерода для повышения эффективности Rubisco; изменение светособирающих свойств листьев на верхушках и низах растений для равномерного распределения солнечного света и поддержания уровня влажности; и изменение плотности устьиц для улучшения контроля над притоком CO2 и потерей влаги.
Сотрудничество между учеными, занимающимися различными масштабами экосистемы и функций растений - от атмосферных до молекулярных - имеет важное значение для успеха усилий по повышению устойчивости сельскохозяйственных культур, заявили исследователи.
«Мир становится жарче с шокирующей скоростью», - сказал Кавана. «И мы знаем из глобальных моделей, что каждое повышение общей температуры на градус Цельсия может привести к потере от 3% до 7% урожая наших четырех основных культур. Так что это не то, что мы можем игнорировать.
"Что вселяет в меня оптимизм, так это осознание того, что так много работы уходит на глобальное решение этой проблемы", - сказала она.