Повышение урожайности сои путем адаптации фотосинтеза к мимолетным теням

Komorebi — это японское слово, которое описывает, как свет фильтруется сквозь листья, создавая изменчивые, пятнистые «солнечные пятна», которые иллюстрируют постоянно меняющуюся световую среду растений. Культуры используют световую энергию, чтобы связать углекислый газ с пищей посредством фотосинтеза. Команда из Университета Иллинойса сообщает о новой математической компьютерной модели, которая используется для того, чтобы понять, сколько урожая теряется при столкновении соевых культур с мелкими колебаниями света в пасмурные и солнечные дни.
«Соевые бобы являются четвертой по важности культурой с точки зрения общего производства, но они являются основным источником растительного белка в мире», — сказал Ю Ван, исследователь с докторской степенью из Иллинойса, возглавлявший эту работу для достижения повышенной эффективности фотосинтеза (RIPE). «Мы обнаружили, что растения сои могут потерять до 13 % своей продуктивности, потому что они не могут достаточно быстро адаптироваться к изменениям интенсивности света, которые являются стандартными для любой сельскохозяйственной культуры. Это может показаться не таким уж важным, но с точки зрения глобального урожая — это много».
RIPE — это международный исследовательский проект, целью которого является улучшение фотосинтеза для оснащения фермеров во всем мире высокопродуктивными культурами, необходимыми для обеспечения достаточного количества пищи для здоровой и продуктивной жизни. RIPE спонсируется Фондом Билла и Мелинды Гейтс, Фондом исследований в области продовольствия и сельского хозяйства США (FFAR) и Департаментом международного развития правительства Великобритании (DFID).
Прошлые модели исследовали только почасовые изменения интенсивности света. Для этого исследования команда создала динамическую вычислительную модель трассировки лучей, которая была способна прогнозировать уровни света до миллиметра на каждом листе для каждой минуты дня в цветущей культуре сои. Модель также учитывает два критических фактора: фотозащита и активация Rubisco.
Фотозащита защищает растения от солнечных лучей. Этот процесс, вызванный высоким уровнем освещенности, безопасно рассеивает избыточную световую энергию в виде тепла. Но когда уровень освещенности падает, фотозащита может ослабнуть или прекратитьсяна минуты или часы, что может привести к потере потенциальной урожайности растения. Команда оценила 41 сорт сои, чтобы определить самый быстрый, самый медленный и средний показатель от индукции до релаксации фотозащиты. Менее 30 минут считается «кратковременным», а все, что дольше — «длительной» фотозащитой.
Используя эту новую модель, команда смоделировала солнечный и облачный день в Шампейне, штат Иллинойс. В солнечный день длительная фотозащита была самым значительным ограничением фотосинтеза. В пасмурный день фотосинтез был наиболее ограничен кратковременной фотозащитой и активазойRubisco, которая является вспомогательным ферментом, запускаемым светом, для превращения углерода в сахар.
Проект RIPE уже приступил к решению проблем фотозащиты сои и других культур, включая маниоку, вигну и рис. В 2016 году команда опубликовала исследование в области естественных наук, в котором они увеличили уровни трех белков, участвующих в фотозащите, чтобы повысить продуктивность модельного урожая на 14-20 процентов. Кроме того, команда RIPE из Ланкастерского экологического центра в Университете Ланкастера занимается поиском лучших форм Rubiscoactivase в соевых бобах и вигне. Проект RIPE и его спонсоры стремятся обеспечить глобальный доступ и сделать эти технологии доступными для фермеров, которые в них больше всего нуждаются.
«Подобные модели имеют решающее значение для раскрытия барьеров и решений, для полного раскрытия потенциала этой культуры», — сказал директор RIPE Стивен Лонг, профессор Университета Икенберри, факультет биологии растений и культур в Институте геномной биологии Иллинойса им. Карла Р. Воса. «Мы уже начали устранять эти узкие места и видели значительные успехи, но это исследование показывает нам, что еще есть возможности для улучшения».

Источник: Институтом геномной биологии; фото: pixabay.com