Новая компьютерная модель включает в себя то, как микроскопические поры на листьях могут открываться в ответ на свет - достижение, которое может помочь ученым создавать виртуальные растения для прогнозирования того, как более высокие температуры и повышение уровня углекислого газа повлияют на продовольственные культуры, согласно исследованию. исследование, опубликованное в специальном выпуске журнала Photo Synthetic Research за июль 2019 года.
«Это захватывающая новая компьютерная модель, которая может помочь нам делать гораздо более точные прогнозы в широком диапазоне условий», - сказал Йоханнес Кромдейк, который руководил работой в рамках международного исследовательского проекта под названием «Реализуя повышенную эффективность фотосинтеза». (СПЕЛЫЙ).
RIPE, возглавляемая Университетом Иллинойса, разрабатывает сельскохозяйственные культуры, чтобы они были более продуктивными, не используя больше воды, путем улучшения фотосинтеза, естественного процесса, который все растения используют для преобразования солнечного света в энергию, стимулирующую рост и урожайность. RIPE поддерживается Фондом Билла и Мелинды Гейтс, Американским фондом исследований в области продовольствия и сельского хозяйства (FFAR) и Министерством международного развития правительства Великобритании (DFID).
Текущая работа была сосредоточена на моделировании поведения так называемых устьиц - микроскопических пор в листьях, которые в ответ на свет открываются, позволяя воде, углекислому газу и кислороду проникать в растение и выходить из него. В 2018 году команда RIPE опубликовала статью в Nature Communications, в которой показано, что увеличение количества одного конкретного белка может побудить растения частично закрыть свои устьица - до такой степени, что фотосинтез не будет затронут, но потеря воды значительно сократится. Экспериментальные данные этого исследования были использованы для создания недавно представленной улучшенной модели устьиц.
«Мы десятилетиями знали, что фотосинтез и открытие устьиц тесно скоординированы, но то, как это работает, остается неясным», - сказал Стивен Лонг, заведующий кафедрой растениеводства и биологии растений Ikenberry Endowed University в Университете Иллинойса.. «С этой новой компьютерной моделью у нас есть гораздо лучший инструмент для расчета движений устьиц в ответ на свет».
Конечная цель, по словам Лонга, состоит в том, чтобы определить возможности контроля этих устьичных привратников, чтобы получить засухоустойчивые культуры. «Теперь мы приближаемся к недостающему звену: как фотосинтез сообщает устьицам, когда открываться».
Компьютерное моделирование стало большим достижением в селекции сельскохозяйственных культур. Отец современной генетики Грегор Мендель сделал революционное открытие, что растения гороха наследуют черты своих родителей, вырастив и селекционировав более 10 000 растений гороха в течение восьми лет. Сегодня специалисты по растениям могут фактически вырастить тысячи культур за считанные секунды, используя эти сложные компьютерные модели, моделирующие рост растений.
Устьичные модели используются вместе с моделями фотосинтеза, чтобы делать широкомасштабные прогнозы от будущей урожайности до управления растениеводством, например, как сельскохозяйственные культуры реагируют на дефицит воды. Кроме того, эти модели могут дать ученым предварительное представление о том, как повышение уровня углекислого газа и повышение температуры могут повлиять на такие культуры, как пшеница, кукуруза или рис.
«Предыдущая версия устьичной модели использовала взаимосвязь, которая не соответствовала нашему текущему пониманию движений устьиц», - сказал Кромдейк, ныне преподаватель Кембриджского университета. «Мы обнаружили, что наша новая версия требует гораздо меньше настроек, чтобы делать высокоточные прогнозы».
Тем не менее, предстоит проделать большую работу, чтобы показать, что эта модифицированная модель работает в широком спектре приложений, и для дальнейшего подтверждения взаимосвязи между устьицами и фотосинтезом.
«Мы должны показать, что эта модель работает для самых разных видов и мест», - сказала бывший член RIPE Катажина Гловацка, ныне доцент Университета Небраски-Линкольн.«Крупномасштабные симуляционные модели связывают воедино модели атмосферной турбулентности, перехвата света, доступности почвенной влаги и других, поэтому нам нужно убедить несколько исследовательских сообществ в том, что это усовершенствование того стоит».