Исторический рост урожайности кукурузы — дело в корнях
Одним из самых значительных достижений в сельском хозяйстве стало непрерывное и существенное увеличение урожайности кукурузы за последние 80 лет в кукурузном поясе США.
Этот рост связан как с селекцией улучшенных гибридов, так и с возможностью выращивать их при повышенной плотности посева. В новом исследовании, опубликованном в январско-февральском номере журнала Crop Science, учёные изучили влияние листьев и корней на этот рост и пришли к выводу, что структура корневой системы может быть ключом к пониманию эффективности этих культур.
Одним из сопутствующих изменений стал более вертикальный угол листьев, который повышает эффективность преобразования падающего света в биомассу. Исследования показывают, что увеличение общей биомассы за счёт устойчивого фотосинтеза — ключевой фактор роста урожайности.
Однако некоторые работы также указывают на влияние изменений в корневой системе: новые гибриды эффективнее извлекают воду из глубоких слоёв почвы. Есть свидетельства, что этой способностью обладают гибриды с более узким углом распространения корней. Уменьшение угла корней в сочетании с высокой плотностью посева могло привести к увеличению накопления биомассы, поскольку корни лучше осваивают глубокие слои почвы и добывают больше воды.
Команда учёных из Австралии и США под руководством профессора Грэма Хаммера из Университета Квинсленда (UQ) провела это исследование в рамках проекта, поддержанного Австралийским исследовательским советом совместно с Pioneer Hi-Bred International. В проекте участвовали специалисты из UQ, Департамента первичной промышленности Квинсленда и Pioneer.
В подходе использовались технологии компьютерного моделирования виртуальных растений. Учёные модифицировали продвинутую модель культуры, чтобы учесть известные эффекты на рост растений, связанные с изменением вертикальности листьев и/или архитектуры корневой системы. Затем они смоделировали влияние на урожайность для типичных участков кукурузного пояса США для набора «гипотетических гибридов» с разными характеристиками листьев и корней.
Исследование показало, что историческая тенденция роста урожайности кукурузы и её связь с более высокой плотностью растений, скорее всего, больше связаны с изменением архитектуры корневой системы, чем с изменением вертикальности листьев. Хотя более вертикальные листья могут вносить вклад в некоторых высокоурожайных ситуациях, доминирующий эффект оказывают изменения в корнях, улучшающие захват почвенной воды на глубине. Результаты моделирования для гибридов с разными характеристиками корней согласуются с полевыми экспериментами, которые демонстрировали реакцию урожайности на плотность посева у гибридов, выпущенных за последние 20 лет.
«Использование динамических моделей сельскохозяйственных культур помогло нам заглянуть дальше явных различий между гибридами в этой временной серии роста урожайности, — говорит Хаммер. — Это позволило сосредоточиться на движущих процессах роста растений, которые должны быть ответственны за эти эффекты. Ясно, что, двигаясь вперёд, нам нужно гораздо пристальнее изучать корневые системы и то, как они захватывают воду».
В исследовании дополнительное количество воды, необходимое для исторического увеличения урожайности на 6 т/га, оценивается примерно в 270 мм. Требуются дальнейшие исследования, чтобы определить, приблизила ли эта ситуация культуру кукурузы к пределу доступности водных ресурсов или же остаётся возможность для дальнейшего роста урожайности за счёт улучшения захвата воды.
Источник: Crop Science Society of America