Сельское хозяйство уже монополизировало 90 процентов мировых запасов пресной воды, но производство все еще необходимо резко увеличить, чтобы кормить и питать растущее население в этом столетии. Ученые впервые улучшили использование воды культурой на 25 процентов без ущерба для урожая, изменив экспрессию одного гена, который присутствует во всех растениях, как сообщается в Nature Communications..
Исследование является частью международного исследовательского проекта «Реализуя повышенную эффективность фотосинтеза» (RIPE), который поддерживается Фондом Билла и Мелинды Гейтс, Фондом исследований в области продовольствия и сельского хозяйства и Министерством международного развития Великобритании.
«Это большой прорыв», - сказал директор RIPE Стивен Лонг, заведующий кафедрой биологии растений и растениеводства Ikenberry Endowed. «Урожайность неуклонно повышалась за последние 60 лет, но количество воды, необходимое для производства одной тонны зерна, остается неизменным, что заставило большинство предположить, что этот фактор не может измениться. Доказательство того, что наша теория работает на практике, должно открыть дверь. к гораздо большему количеству исследований и разработок для достижения этой важнейшей цели в будущем».
Международная команда увеличила уровень фотосинтетического белка (PsbS) для сохранения воды, обманом заставив растения частично закрыть свои устьица, микроскопические поры в листе, через которые вода уходит. Устьица являются привратниками растений: когда они открыты, углекислый газ поступает в растение для подпитки фотосинтеза, но вода может улетучиваться в процессе транспирации.
«У этих растений было больше воды, чем им нужно, но так будет не всегда», - сказала соавтор исследования Катажина Гловацкая, исследователь с докторской степенью, которая руководила этим исследованием в Институте Карла Р. Институт геномной биологии Вёзе (IGB). «Когда вода ограничена, эти модифицированные растения будут расти быстрее и давать больше - они будут платить меньше штрафа, чем их немодифицированные аналоги».
Команда улучшила эффективность использования воды растением (отношение углекислого газа, поступающего в растение, к количеству воды, выделяемой растением) на 25 процентов без существенного ущерба для фотосинтеза или урожайности в реальных полевых испытаниях. Концентрация углекислого газа в нашей атмосфере увеличилась на 25 процентов всего за последние 70 лет, что позволяет растениям накапливать достаточное количество углекислого газа, не открывая полностью устьица. «Эволюция не поспевает за этими быстрыми изменениями, поэтому ученые протянули ей руку помощи», - сказал Лонг, который также является профессором растениеводства в Ланкастерском университете..
Четыре фактора могут вызвать открытие и закрытие устьиц: влажность, уровень углекислого газа в растении, качество света и количество света. Это исследование является первым отчетом об изменении реакции устьиц на количество света.
PsbS является ключевой частью сигнального пути в растении, который передает информацию о количестве света. Увеличивая PsbS, сигнал говорит о том, что растению не хватает световой энергии для фотосинтеза, что вызывает закрытие устьиц, поскольку углекислый газ не нужен для питания фотосинтеза..
Это исследование дополняет предыдущую работу, опубликованную в журнале Science, которая показала, что увеличение PsbS и двух других белков может улучшить фотосинтез и повысить продуктивность на целых 20 процентов. Теперь команда планирует объединить результаты этих двух исследований, чтобы улучшить производство и использование воды, сбалансировав экспрессию этих трех белков.
В этом исследовании команда проверила свою гипотезу, используя табак, модельную культуру, которую легче модифицировать и быстрее протестировать, чем другие культуры. Теперь они будут применять свои открытия для повышения эффективности использования воды продовольственными культурами и проверять их эффективность в условиях ограниченного количества воды.
«Повышение эффективности использования воды культурными растениями, возможно, является самой большой проблемой для нынешних и будущих ученых-растителей», - сказал соавтор Йоханнес Кромдейк, научный сотрудник IGB. «Наши результаты показывают, что повышенная экспрессия PsbS позволяет культурным растениям быть более консервативными в использовании воды, что, по нашему мнению, поможет лучше распределять имеющиеся водные ресурсы в течение вегетационного периода и поддерживать более продуктивную культуру в периоды засухи».