В недавнем исследовании, опубликованном в журнале «Продовольственная и энергетическая безопасность», ученые из компании «Реализация повышенной фотосинтетической эффективности» (RIPE) стремились понять, насколько сильно варьируется поглощение света и ассимиляция углекислого газа (CO2) в растительном покрове в разных линиях вигнового гороха. Эта информация в конечном итоге может быть использована для разработки более эффективных навесов – с большей ассимиляцией CO2 и эффективностью использования воды – для увеличения урожайности.
RIPE, возглавляемая Университетом Иллинойса, занимается улучшением урожайности сельскохозяйственных культур за счет улучшения фотосинтеза – естественного процесса, который используют все растения для преобразования световой энергии в производство биомассы и урожайности. RIPE поддерживается Фондом Билла и Мелинды Гейтс, U.S. Фонд продовольственных и сельскохозяйственных исследований (FFAR) и U.K.
Государственный департамент международного развития (DFID). Одна из целевых культур проекта RIPE – вигна.
Воровой горох, широко известный в США как черноглазый горох.S., являются одними из старейших одомашненных культур в мире, кормят более 200 миллионов человек в день.
«Они являются основной сельскохозяйственной культурой в Африке, обеспечивая источник белка для людей и домашнего скота и восстанавливая питание почвы за счет фиксации азота», – сказала Лиза Эйнсворт, физиолог-исследователь растений из U.S.
Департамент сельского хозяйства, Служба сельскохозяйственных исследований (USDA-ARS).
Команда RIPE провела скрининг 50 генотипов коровьего гороха из многопородной популяции межкрестного скрещивания передового поколения (MAGIC) на предмет архитектурных особенностей растительного покрова, фотосинтеза растительного покрова и эффективности водопользования с помощью камеры газообмена на растении. Эта камера использовалась для измерения скорости, с которой растения будут преобразовывать CO2 в атмосфере в углеводы в качестве энергии для роста.
«Поскольку Африка к югу от Сахары является регионом, где сохраняется значительный разрыв в урожайности, крайне важно, чтобы мы вывели высокоурожайную культуру, которую можно было бы легко выращивать там», – сказал первый автор Энтони Диградо, постдокторский исследователь USDA-ARS в лаборатории Эйнсворта. Иллинойс. "Это означает, что эффективность водопользования следует серьезно учитывать при разработке новых сортов для стран Африки к югу от Сахары, которые сталкиваются с проблемами доступа к воде в нескольких регионах."
Команда использовала модели анализа главных компонентов (PCA), чтобы сначала сгруппировать 50 генотипов MAGIC в пять общих архитектурных типов растительного покрова для изучения характеристик растений, включая индекс площади листьев, их зеленую окраску, а также высоту и ширину растительного покрова. Этот анализ дал исследователям возможность собрать обзор признаков или комбинаций признаков, которые можно было изменить, чтобы оказать сильнейшее влияние на фотосинтез растительного покрова, чтобы максимизировать рост.
Архитектура навеса способствовала 38.6 процентов дисперсии, наблюдаемой в фотосинтезе полога. Результаты показали, что в пологах с более низкой биомассой основным ограничением фотосинтеза пологов была площадь листьев; однако в пологах с более высокой биомассой основным ограничивающим фактором вместо этого была световая среда. Навесы с высокой биомассой имеют больший фотосинтез навеса, когда листья в верхней части кроны имеют более низкое содержание хлорофилла.
В целом, архитектура растительного покрова значительно повлияла на фотосинтетическую эффективность и эффективность водопользования, предполагая, что оптимизация структуры растительного покрова может способствовать повышению урожайности сельскохозяйственных культур.
«Эффективность водопользования – это количество СО2, ассимилированное растительным покровом, по сравнению с количеством воды, которое теряется растительным покровом», – сказал Диградо, руководивший этой работой в Carl R. Институт геномной биологии Везе (IGB). "Идеально для культуры – это иметь возможность потреблять много углерода, не теряя при этом слишком много воды."
Популяция вигны MAGIC, которую использовала команда, соответствует этим критериям для идеальной культуры, особенно для выращивания в условиях засухи в Африке.
Тем не менее, исследований о том, как архитектура растительного покрова влияет на ассимиляцию СО2 и эффективность водопользования вигны, по-прежнему мало.
«Еще многое предстоит сделать для повышения урожайности вигны, и необходимы дальнейшие исследования», – сказал Диградо. "Но эта работа установила, что существуют вариации, которые можно использовать для повышения урожайности и эффективности сельскохозяйственных культур, важных для продовольственной безопасности."
Проект RIPE и его спонсоры стремятся обеспечить глобальный доступ и сделать технологии проекта доступными для фермеров, которые в них больше всего нуждаются.