Улучшенная модель поможет точнее предсказывать урожайность и влияние изменения климата

Новая компьютерная модель учитывает, как микроскопические поры на листьях открываются в ответ на свет. Это достижение может помочь учёным создавать виртуальные растения для прогнозирования влияния повышения температуры и роста уровня углекислого газа на продовольственные культуры. Исследование опубликовано в специальном выпуске журнала Photosynthesis Research.

Модель разработана в рамках международного проекта Realizing Increased Photosynthetic Efficiency (RIPE), который возглавляет Университет Иллинойса. Цель RIPE — повысить продуктивность сельскохозяйственных культур без увеличения расхода воды за счёт улучшения фотосинтеза. Проект поддерживают Фонд Билла и Мелинды Гейтс, Фонд исследований в области продовольствия и сельского хозяйства США (FFAR) и Министерство международного развития Великобритании (DFID).

Работа сосредоточена на моделировании поведения устьиц — микроскопических пор в листьях, которые открываются на свету для газообмена (CO₂, O₂) и транспирации воды. В 2018 году команда RIPE показала в Nature Communications, что увеличение определённого белка заставляет растения частично закрывать устьица, снижая потерю воды без ущерба для фотосинтеза. Экспериментальные данные этого исследования легли в основу новой улучшенной модели.

Новая модель позволяет точнее рассчитывать движения устьиц в ответ на свет, что приближает учёных к пониманию того, как фотосинтез «сообщает» устьицам, когда открываться. Это ключ к созданию засухоустойчивых культур.

Компьютерное моделирование стало прорывом в селекции растений. Если Грегор Мендель для своих открытий выращивал тысячи растений годами, то сегодня с помощью сложных моделей, симулирующих рост, можно «вырастить» тысячи виртуальных культур за секунды.

Модели устьиц и фотосинтеза вместе используются для широкого спектра прогнозов: от будущей урожайности до реакции культур на дефицит воды, а также для оценки влияния повышения уровня CO₂ и температур на такие культуры, как пшеница, кукуруза или рис.

Новая версия модели, в отличие от предыдущей, более точно соответствует современному пониманию работы устьиц и требует меньше «настройки» для точных прогнозов.

Следующий шаг — доказать, что улучшенная модель работает для разнообразных видов растений и условий, а также убедить научное сообщество, использующее комплексные модели (атмосферной турбулентности, доступности света, почвенной влаги и др.), в ценности этого усовершенствования.