Урожаи образуют плотные навесы, состоящие из нескольких слоев листьев - верхних слоев с более молодыми солнечными листьями и нижних слоев с более старыми затененными листьями, которым может быть трудно перехватывать солнечный свет, просачивающийся с верхних слоев.
В недавнем исследовании, опубликованном в журнале «Продовольственная и энергетическая безопасность», ученые из организации «Реализуя повышенную эффективность фотосинтеза» (RIPE) стремились понять, насколько велики различия между различными линиями вигны в поглощении света и углекислом газе (CO2).) ассимиляция по всему пологу. Эта информация в конечном итоге может быть использована для проектирования более эффективных навесов - с большей ассимиляцией CO2 и эффективностью использования воды - для увеличения урожайности.
RIPE, возглавляемая Университетом Иллинойса, разрабатывает сельскохозяйственные культуры, чтобы они были более продуктивными за счет улучшения фотосинтеза, естественного процесса, который все растения используют для преобразования энергии света в производство биомассы и урожая. RIPE поддерживается Фондом Билла и Мелинды Гейтс, Американским фондом исследований в области продовольствия и сельского хозяйства (FFAR) и Министерством международного развития правительства Великобритании (DFID). Одной из целевых культур проекта RIPE является вигна.
Вигна, широко известная в США как черноглазый горох, является одной из старейших одомашненных культур в мире, которая кормит более 200 миллионов человек в день.
«Они являются основной культурой в Африке, обеспечивая источник белка для людей и домашнего скота, а также восстанавливая питание почвы за счет фиксации азота», - сказала Лиза Эйнсворт, физиолог-исследователь растений из Университета США. S. Министерство сельского хозяйства, Служба сельскохозяйственных исследований (USDA-ARS).
Команда RIPE провела скрининг 50 генотипов вигны из смешанной популяции продвинутого поколения (MAGIC) с несколькими родителями на признаки архитектуры кроны, фотосинтеза кроны и эффективности использования воды с помощью камеры газообмена кроны. Эта камера использовалась для измерения скорости, с которой растения будут преобразовывать CO2 в атмосфере в углеводы в качестве энергии для роста.
«Поскольку страны Африки к югу от Сахары являются регионом, где сохраняется значительный дефицит урожайности, крайне важно, чтобы мы выращивали высокоурожайную культуру, которую можно было бы легко выращивать там», - сказал первый автор Энтони Диградо, постдокторский исследователь USDA-ARS. в лаборатории Эйнсворт в Иллинойсе. «То есть следует серьезно учитывать эффективность водопользования при разработке новых сортов для стран Африки к югу от Сахары, которые испытывают трудности с доступом к воде в нескольких регионах».
Команда использовала модели анализа основных компонентов (PCA), чтобы сначала сгруппировать 50 генотипов MAGIC в пять общих архитектурных типов навеса для изучения признаков растений, включая индекс площади листа, степень зелени листьев, а также высоту и ширину навеса. Этот анализ дал исследователям возможность собрать обзор признаков или комбинаций признаков, которые можно модифицировать, чтобы оказать самое сильное влияние на фотосинтез кроны и максимизировать рост.
Архитектура полога способствовала 38,6 процентам дисперсии, наблюдаемой в фотосинтезе полога. Результаты показали, что в кронах с более низкой биомассой основным ограничением фотосинтеза в кронах была площадь листьев; однако в более высоких пологах биомассы основным ограничивающим фактором была световая среда. Навесы с высокой биомассой имеют больший фотосинтез навеса, когда листья в верхней части навеса имеют более низкое содержание хлорофилла.
В целом, архитектура растительного покрова значительно повлияла на эффективность фотосинтеза растительного покрова и эффективность использования воды, что позволяет предположить, что оптимизация структуры растительного покрова может способствовать повышению урожайности сельскохозяйственных культур.
«Эффективность использования воды относится к количеству CO2, ассимилированному растительным покровом, по отношению к количеству воды, теряемой растительным покровом», - сказал Диградо, который руководил этой работой в Carl R. Институт геномной биологии Вёзе (IGB). «Идеалом для урожая является возможность потреблять много углерода, не теряя при этом слишком много воды».
Популяция вигны MAGIC, которую использовала команда, соответствует этим критериям идеальной культуры, особенно той, которая выращивается в засушливых условиях Африки. Тем не менее, исследований о том, как архитектура навеса влияет на ассимиляцию CO2 навеса и эффективность использования воды у вигны, по-прежнему мало..
«Еще многое предстоит сделать для повышения урожайности вигны, и необходимы дополнительные исследования», - сказал Диградо. «Но эта работа установила, что существуют вариации, которые можно использовать для повышения производительности и эффективности выращивания важной для продовольственной безопасности культуры».
Проект RIPE и его спонсоры стремятся обеспечить глобальный доступ и сделать технологии проекта доступными для фермеров, которые в них больше всего нуждаются.