Сорняковый рис - это не дикий рис и не сельскохозяйственный рис, а рис, ставший изгоем, утративший некоторые важные для людей черты. Это также невероятно агрессивный, потенциально вредный сорняк, который появляется почти везде, где выращивается рис, и может снизить урожайность более чем на 80 процентов, если он вторгнется в поле.
Исследователи из Вашингтонского университета в Сент-Луисе и Центра науки о растениях Дональда Дэнфорта использовали новую технику визуализации, чтобы выявить стратегию поглощения, которая снова и снова срабатывала для сорного риса: корни минимизируют подземный контакт с другими растениями. растения.
«Сорный рис, возможно, развил стратегию роста корней в одиночку, которая позволила ему использовать почвенную среду рисовых полей, совместно использующую питательные вещества», - сказал Кеннет М. Олсен, профессор биологии в США. Arts & Sciences в Вашингтонском университете и старший автор новой статьи в New Phytologist, в которой рассказывается об их выводах.
«Мы склонны думать о конкуренции, происходящей над землей, потому что это часть растения, которую мы видим. Но это только половина растения», - сказал Олсен. «Именно «скрытая половина», то есть корневая система, играет решающую роль в некоторых из наиболее важных аспектов роста и выживания растений, включая поглощение воды и конкуренцию за необходимые питательные вещества, такие как азот и фосфор».
По некоторым оценкам, корневой рост на самом деле является более важным фактором, определяющим конкурентный успех, чем надземный рост, сказал Олсен.
"Это, по-видимому, особенно верно для сельскохозяйственных сорняков, таких как сорный рис, который конкурирует с сортами сельскохозяйственных культур на сельскохозяйственных полях", - сказал он.
Взгляд в подполье
Ученые только начинают получать первые реалистичные представления о том, как рост корней и взаимодействие корней под землей влияют на способность растений конкурировать за ресурсы. В прошлом они не могли прилично рассмотреть корневую систему, не выкапывая ее, что неизбежно повреждало ее, или выращивая растения в очень искусственных условиях, например, зажав их между двумя стеклянными пластинами.
В этом исследовании ученые сравнили корни двух независимо эволюционировавших видов сорного риса, которые растут на одних и тех же рисовых полях на юге США. Используя новые методы визуализации, в том числе полуавтоматическую оптическую томографию, разработанную Кристофером Топпом в Научном центре растений Дональда Дэнфорта, исследователи сделали более 70 фотографий корневой системы каждого из 671 различных сорных растений риса. Затем они смоделировали изображения в 3D, чтобы создать 360-градусные цифровые карты своих корней.
Исследователи использовали различные разработанные ими алгоритмы для анализа 98 физических признаков, включая глубину корней, ширину корневой системы, определенные исследовательские признаки и углы между корнями и почвой.
Они также провели генетический анализ, чтобы проследить отдельные пути сорняков от их одомашненного прошлого до их статуса персоны нон-грата на рисовых полях сегодня.
«Естественный отбор говорит, что они (два типа сорного риса) должны реагировать на эту среду, развивая сходные черты», - сказал Маршалл Дж. Ведгер, кандидат наук в лаборатории Олсена и первый автор статьи. «У них действительно развились сходные черты в ответ на одинаковое давление окружающей среды, но они сделали это, используя очень разные генетические механизмы».
Новое исследование показывает, как два независимо эволюционировавших сорта сорного риса конвергентно пришли к сходной модели роста корней, что может сыграть роль в их способности превзойти культивируемый рис в отношении питательных веществ для почвы.
«Глядя на генетическую основу эволюции сорного риса, мы можем увидеть, есть ли на генетическом уровне более одного пути развития сорняка», - сказал Олсен.«То, что мы обнаружили, как в отношении надземных признаков, так и в этом исследовании подземных признаков, заключается в том, что ответ - однозначно да».
«Другими словами, невероятно легко вывести сорняк из одомашненной культуры», - сказал Олсен. «Это может происходить несколько раз независимо от разных сортов сельскохозяйственных культур».