Исследователи создают эффективные биоэнергетические культуры, требующие меньше воды для роста

Засуха давно является ограничивающим фактором для производства сельскохозяйственных культур во всем мире, и эта проблема усугубляется изменением климата.

В двух исследованиях, опубликованных в Journal of Experimental Botany, ученые из Центра инноваций в области передовой биоэнергетики и биопродуктов (CABBI) использовали генную инженерию для улучшения водопользовательской эффективности (WUE) у климатически устойчивых C4 биоэнергетических культур без потери урожайности.

Улучшение WUE у сорго

В первом исследовании команде CABBI удалось уменьшить количество воды, испаряемой растениями сорго, за счет снижения количества устьиц (пор) на поверхности листа. Это улучшило WUE, не ограничивая фотосинтез и производство биомассы. Исследователи вставили в растения ген, который изменил их паттерн развития и снизил плотность устьиц.

"У C4 видов мы думаем, что можем получить бесплатный обед. Мы можем получить улучшенную эффективность использования воды, не жертвуя тем, насколько хорошо растение растет, когда у него достаточно воды. И это особый случай", — сказал директор CABBI Эндрю Лики, руководитель обоих исследований.

Неожиданный эффект у сахарного тростника

Во втором исследовании ученые обнаружили, что снижение плотности устьиц у сахарного тростника и других C4 культур совпало с более широким раскрытием пор. Это частично нивелировало ожидаемое улучшение WUE.

Основной механизм этой реакции до конца не изучен, поэтому открытие представляет собой ценную новую мишень для инженерии еще более эффективного растения.

Значение исследований

Эти открытия помогут максимизировать производство сырья для биоэнергетики, повысить устойчивость культур к недостатку воды и открыть новые направления исследований.

"Это дает захватывающую возможность для новых научных открытий и инженерных стратегий", — сказал постдокторант CABBI Дэниел Ланн, ведущий автор исследования по сахарному тростнику.

Преодоление фундаментального компромисса

У большинства растений улучшение WUE связано с компромиссом: снижением продуктивности, фотосинтетического поглощения углерода и скорости роста при достаточном водоснабжении. Однако C4 культуры — сорго, сахарный тростник, мискантус — устроены иначе. У них есть "версия фотосинтеза с турбонаддувом", которая концентрирует CO₂ внутри листа перед его фиксацией.

Хотя C4 культуры составляют лишь 5% всех видов растений, они становятся все более важными для производства пищи, топлива и волокон. Они являются важными примерами новых биомассовых культур, способных секвестрировать углерод.

Перспективы

Команда исследует этот инженерный подход на других растениях CABBI и совершенствует конструкцию. Разработка культур, которым требуется на 10–20% меньше воды, могла бы расширить зону богарного земледелия в США дальше на запад и позволить фермерам сохранять урожайность в засушливые годы.

"Преодоление водных ограничений для производства сельскохозяйственных культур действительно очень важно для достижения нашей миссии по созданию прибыльной, устойчивой и жизнестойкой биоэкономики", — добавил Лики.