Переплетение архитектуры и растений

Мечта любого садовода — крупный урожай. Особенно это приятно, когда у вас огромные площади с посевами. Но как увеличить урожайность, не прибегая к увеличению количества посадок? Можно повысить количество продукции, получаемой с каждого растения!

Проблема высокой плотности посева

При увеличении плотности посева кукурузы возникает множество проблем. Растения начинают конкурировать за свет, воду и питательные вещества, что может привести к снижению их роста и урожайности. Однако, если правильно управлять архитектурой «кукурузного навеса», можно добиться большего урожая даже при высоких плотностях.

Угол наклона листьев - основная черта, определяющая архитектуру растений. Вертикальные углы наклона листьев уменьшают взаимное затенение и увеличивают проникновение солнечного излучения, тем самым улучшая эффективность фотосинтеза на уровне популяции, что в конечном итоге повышает урожайность зерна при плотной посадке. При современной селекции кукурузы отбирают больше прямостоячих листьев. В условиях плотного навеса, типичного для кукурузных полей, листья в разных слоях навеса получают различное качество и количество солнечного света, что требует разной ориентации листьев для максимального поглощения света и фотосинтеза. Таким образом, архитектура растений, идеальная для плотной посадки, требует не просто равномерных вертикальных углов наклона листьев по всему пологу, но и оптимального распределения углов наклона листьев в разных слоях полога.

Некоторыми авторами была предложена концепция под названием «умный навес», который включает оптимизированную архитектуру растения вместе с улучшенными биохимическими характеристиками листьев, такими как дифференциальная каталитическая способность Rubisco и фотосистемы по всему растению. Сам умный навес отличается вертикальными листьями в верхнем пологе, менее прямостоячими листьями в среднем пологе и относительно плоскими листьями в нижнем пологе. Такая архитектура навеса позволила бы свету более равномерно распространяться внутри плотного навеса, сводя к минимуму светонасыщение верхних листьев и световое голодание нижних.

Аннотация исследования

Концепция плотной посадки требует умного навеса с углами наклона листьев в разных слоях навеса, по-разному оптимизированными для максимального поглощения света и фотосинтеза, и других особенностей. Учёные определили архитектуру угла наклона листьев smart canopy 1 (lac1), естественного мутанта с вертикальными верхними листьями, менее прямостоячими средними листьями и относительно плоскими нижними листьями. lac1 обладает улучшенной способностью к фотосинтезу и ослабленной реакцией на тень при плотной посадке. lac1 кодирует брассиностероид С-22 гидроксилазу, которая преимущественно регулирует угол наклона верхнего листа. Фоторецепторы фитохрома А накапливаются в тени и взаимодействуют с фактором транскрипции RAVL1, способствуя его деградации через протеасому 26S, тем самым ингибируя активацию lac1 RAVL1 и снижая уровень брассиностероидов. В конечном итоге это уменьшает угол наклона верхних листьев на плотных полях. Крупномасштабные полевые испытания демонстрируют, что lac1 повышает урожайность кукурузы при высокой плотности посадки. Чтобы быстро внедрить lac1 в зародышевую плазму для размножения, исследователи трансформировали гаплоидный индуктор (гаплопродюсер) и получили гомозиготные модификации lac1 из 20 различных инбредных линий. Тестируемые удвоенные гаплоиды равномерно приобрели архитектуру растений, подобную умному пологу.

Рис. 1: Мутант lac1 демонстрирует архитектуру растения, подобную умному навесу. а — Фенотипы растений lac1 и дикого типа (W22). Белые стрелки указывают нижние, средние и верхние листья, по которым оценивался угол листа. Масштабная линейка, 16 см. б — Сравнение верхних, средних и нижних углов листьев между lac1 и W22 при плотности посадки 82 500 растений на гектар. в, г — Сравнение проникновения света в слой початка (в) и слой на высоте 10 см над поверхностью почвы (г) между lac1 и W22 при различной плотности посадки. ФАР – фотосинтетически активное излучение. Доля проникшего ФАР рассчитывается как отношение ФАР, измеренного в различных слоях полога, к ФАР, измеренному над пологом. д — Сравнение чистого фотосинтеза початкового листа между lac1 и W22 при различной плотности посадки. f – h — Сравнение угла верхнего листа (f), угла среднего листа (g) и угла нижнего листа (h) между lac1 и W22 при различной плотности посадки. Данные являются средними  ± s.d. n представляет собой количество биологически независимых образцов. В b – h для определения значений P использовался двусторонний t-критерий Стьюдента (см. Исходные данные). *P < 0,05. **Р < 0,01; НС, не существенно.

Умная архитектура кукурузного навеса

Исследования показывают, что изменение формы и структуры кукурузного растения может улучшить его способность к фотосинтезу и оптимизировать использование ресурсов.

В ходе экспериментов ученые обнаружили, что кукуруза с умной архитектурой показывает значительно лучшие результаты по сравнению с традиционными сортами (в том числе по урожайности и эффективности использования ресурсов).

Перспективы применения

Разработка кукурузы с умной архитектурой открывает новые горизонты для устойчивого сельского хозяйства. Такие сорта могут стать ключевыми для обеспечения продовольственной безопасности в условиях растущего населения и изменения климата. Кроме того, эта стратегия может быть адаптирована и к другим культурам, что позволит повысить общую эффективность сельского хозяйства. Таким образом, внедрение этих технологий может сыграть ключевую роль в будущем сельского хозяйства, а исследованные особенности могут стать «генетическом каркасом» для дальнейшего создания «умного навеса» для кукурузы.