Посевы с новым признаком способны давать высокие урожаи в сухих почвах
Исследователей из Пенсильванского университета обнаружили ранее неизвестную корневую характеристику которая позволяет некоторым зерновым культурам развивать более сильную корневую систему, способную пробивать сухие, твердые и уплотненные почвы.
«Это открытие является хорошим предзнаменованием для мирового сельского хозяйства, потому что эта черта помогает кукурузе, пшенице и ячменю развить более сильные корни, что важно для устойчивости к засухе, эффективности азота и связывания углерода», — сказал Джонатан Линч, выдающийся профессор растениеводства. «Селекция по этому признаку должна быть полезна в выращивании новых культур в условиях последствий изменения климата».
Этот фенотип, названный исследователями многорядной кортикальной склеренхимой, или MCS, характеризуется наличием мелких клеток с толстыми стенками прямо под поверхностью корней. Корни с генотипом MCS имеют более высокую концентрацию лигнина — сложного органического полимера, который играет важную роль в формировании клеточных стенок, особенно в древесине и коре, которые придают жесткость.
Большее количество лигнина придает корням MCS прочность на разрыв и большую силу изгиба кончика корня по сравнению с генотипами без MCS. Эта дополнительная жесткость помогает корням проникать в твердые слои почвы.
Результаты исследования корневой анатомии, опубликованные в Proceedings of the National Academy of Sciences, поразительны. Генотипы кукурузы с MCS имели корневую систему на 22% большей глубины и на 39% большей биомассы побегов в полях с уплотненной почвой по сравнению с линиями без MCS.
Уплотнение почвы снижает пористость, ограничивает проникновение воды, снижает аэрацию и ограничивает рост корней, создавая физические препятствия, отметила ведущий исследователь Ханна Шнайдер, научный сотрудник исследовательской группы Линча в Колледже сельскохозяйственных наук.
Исследование включало компоненты как поля, так и теплицы для оценки способности проникновения корней в уплотненную землю.
Ученые провели два полевых эксперимента по изучению роста корней — один в Центре биологии корней в Уиллкоксе, штат Аризона, а другой в Центре сельскохозяйственных исследований имени Рассела Э. Ларсона в Пенсильвании в Рок-Спрингс. В каждом месте исследователи вырастили шесть генотипов кукурузы, различающихся по содержанию лигнина в корнях. Каждый полевой эксперимент включал в себя процедуры с уплотненными и не уплотненными почвами.
Двенадцать генотипов пшеницы и шесть генотипов кукурузы также были выращены в теплице в кампусе Университетского парка. Большие контейнеры для выращивания были созданы с уплотненным слоем почвы, чтобы определить, какие корни проникают в твердый субстрат. После роста более чем через месяц сегменты корней каждого из генотипов кукурузы и пшеницы были собраны, измерены и испытаны на прочность на разрыв и силу изгиба кончика корня.
В этом исследовании использовалась лазерная абляционная томография, известная как LAT, для визуализации анатомии корней растений во время исследования. В 2011 году исследовательская группа Линча разработала уникальную технологию для других приложений корневого анализа. Исследователи, использующие LAT, могут измерять спектры света, испускаемые разными клетками, вырезанными лазером, чтобы различать различные ткани.
Они сообщили, что генетическая изменчивость MCS была обнаружена в каждом из зерновых, изученных исследователями, и наследуемость была относительно высокой, что позволяет предположить, что этот признак может быть выбран в программах селекции. Из линий растений, рассмотренных в этом исследовании, MCS присутствует в 30-50% современных сортов кукурузы, пшеницы и ячменя.
По словам Шнайдера, последствия выращивания кукурузных культур с более глубокими корнями для большего поглощения воды и питательных веществ и, как следствие, повышения урожайности, будут огромными в регионах, где население испытывает нехватку продовольствия. Это особенно верно в условиях меняющегося климата, в результате которого обширные территории становятся более подверженными засухе.
«Мы наблюдаем MCS в кукурузе, пшенице, ячмене и многих других зерновых культурах, и наша работа предполагает, что многие преимущества MCS могут быть аналогичными для разных видов», — сказала она. «MCS может быть важным признаком стрессоустойчивости и повышения урожайности зерновых культур».
Источник: Университет Пенсильвании
