Исследование: «Крутые, дешёвые и глубокие» корни помогают кукурузе справляться с засухой
Редко в природе «меньше» означает «больше». Но именно так обстоит дело с корнями кукурузы в условиях засухи, согласно новому исследованию международной группы учёных под руководством Пенсильванского университета. Они обнаружили доказательства преимуществ «экономного» (parsimonious) фенотипа корней.
Этот фенотип, определяемый генетически, позволяет растениям достичь улучшенного вегетативного роста. Стратегия «экономных» корней состоит в развитии «крутых, дешёвых и глубоких» корней.
- «Крутые» — архитектурные признаки, такие как угол роста, заставляющий корни уходить вниз под более острым углом для поиска дефицитной воды и питательных веществ глубже в почве.
- «Дешёвые» — метаболическая стоимость для растения, включающая создание меньшего количества корней и корней с внутренними воздушными полостями (аэренхимой), что снижает количество живых клеток.
- «Глубокие» — такой подход гарантирует, что немногочисленные корни получают достаточно ресурсов, чтобы прорасти глубоко в почву, что критически важно при стрессе от засухи.
Как дополнительное преимущество, этот фенотип позволяет растениям запасать, или секвестрировать, больше атмосферного углерода глубже в почве, где он будет оставаться длительное время.
Методология и результаты
Для проверки гипотез исследователи использовали функционально-структурную модель OpenSimRoot, которая позволяет симулировать геометрию корней и свойства почвы в 3D с течением времени.
Они протестировали несколько вариантов фенотипа «крутые, дешёвые и глубокие» против референсного фенотипа кукурузы в условиях естественного увлажнения и засухи в трёх различных регионах:
- Округ Бун, Айова, США
- Зария Кадуна, Нигерия
- Тепатитлан, Халиско, Мексика
Результаты, опубликованные в Frontiers in Plant Science, показали:
- Во всех средах с условиями засухи фенотип «крутые, дешёвые и глубокие» приводил к большей биомассе побегов через 42 дня роста.
- Количество углерода, отложенного ниже 60 см в почве, было вдвое больше для этого фенотипа по сравнению с референсным в пяти из шести смоделированных сред.
- При моделировании засухи «экономный» фенотип отличался от
референсного ключевыми параметрами:
- Количество поверхностных осевых корней было меньше примерно вдвое.
- Углы всех корней были в среднем на 20 градусов круче.
- Плотность ветвления боковых корней (где ниже — лучше) была снижена на 50%.
- Объём аэренхимы был увеличен с 20% до 40%.
Значение и перспективы
Поскольку кукуруза — ключевая культура в США и важная для продовольственной безопасности в Африке и Латинской Америке, а засуха уже является серьёзным ограничением для мирового производства и усиливается из-за изменения климата, эти выводы имеют большое значение.
Исследование указывает путь к созданию более устойчивых культур. Селекционеры могут использовать эту информацию для повышения засухоустойчивости, отбирая растения с фенотипом «дешёвые, крутые и глубокие» корни, то есть с меньшим количеством фактических корней, уменьшенной плотностью ветвления и большим объёмом аэренхимы.