Вопросы и ответы: Поиск сортов кукурузы, адаптированных к климату будущего

Важные новости

Вопросы и ответы: Поиск сортов кукурузы, адаптированных к будущему климату

Кредит: Pixabay/CC0 Public Domain

Кукуруза — одна из важнейших культур на планете. Она не только дает сладкие зерна для придания вкуса многим блюдам, но и используется в маслах, в качестве подсластителя-сиропа и в качестве кормовой культуры для скота. Кукурузу вывели для максимизации урожайности на фермах по всему миру.

Но что произойдет при изменении климата? Исследования, проведенные Вашингтонским университетом, объединили климатические прогнозы с моделями растений, чтобы определить, какое сочетание характеристик может быть лучше всего адаптировано к будущему климату. В исследовании использовались прогнозы погоды и климата в США на 2050 и 2100 годы с помощью модели, имитирующей рост кукурузы, чтобы найти сочетание характеристик, которые обеспечат самый высокий и наиболее надежный урожай в будущих условиях по всей стране.

Документ в открытом доступе опубликован в Экологические исследования: продовольственные системы. UW News расспросил старшего автора Эбигейл Суонн, профессора атмосферных наук и биологии Университета Вашингтона, об исследовании и его выводах.

Наш будущий климат будет теплее, воздух суше и концентрация углекислого газа в атмосфере будет выше. Существует ли широкое понимание того, как все эти изменения вместе повлияют на рост растений?

Что касается кукурузы, то предыдущее исследование нашей группы показало, что более высокие температуры и более сухой воздух оказывают примерно одинаковое воздействие: и то, и другое приводит к снижению урожая кукурузы, в то время как большее количество CO2, доступного для фотосинтеза, увеличивает урожайность. Однако увеличения урожайности из-за CO2 было недостаточно, чтобы противодействовать снижению из-за двух других изменений, поэтому урожайность кукурузы в целом снизилась.

В целом, более высокие температуры, подобные тем, которые мы ожидаем в будущем, приведут к урожаю расти быстрее, но быть менее продуктивными. Конечно, изменения в количестве осадков также влияют на их рост в разных местах, хотя в целом это оказывает меньшее влияние, особенно на сельскохозяйственные культуры, которые зависят от орошения.

Обычно многие люди думают об изменении климата как о чем-то, что приведет к изменению условий выращивания определенных культур. В вашем исследовании говорится, что сорта культур, которые мы сажаем сегодня, не идеальны для любого места в будущем. Почему?

Поскольку климат продолжает нагреваться, мы можем адаптироваться, перемещая существующие сорта сельскохозяйственных культур ближе к полюсам, где воздух прохладнее. Но перемещения существующих сортов в новые места недостаточно, чтобы компенсировать потерю урожайности, которую мы ожидаем в более жарком климате, поскольку воздействие более высоких температур очень пагубно.

В нашем исследовании было рассмотрено 100 возможных сортов кукурузы, и мы обнаружили, что те сорта, которые будут наиболее успешными в будущем, не являются успешными сейчас — нам нужны новые культуры для нового климата.

Можете ли вы описать кукуруза, которая, согласно вашему исследованию, будет лучше себя чувствовать в климатических условиях будущего по сравнению с сортами, которые лучше всего себя чувствуют сегодня?

Кукурузные растения сначала отращивают листья, а затем переключаются на выращивание зерна. Мы обнаружили, что сегодня растения кукурузы должны идти на компромисс между выращиванием большого количества листьев и тем, чтобы в вегетационный период оставалось достаточно времени для выращивания большого количества зерна. Это означает, что самые успешные сорта сегодня не выращивают очень много листьев, поэтому они могут переключаться на выращивание зерна в начале сезона.

Выращивание большего количества листьев потенциально может позволить кукурузе увеличить то, насколько растение может фотосинтезировать, что также увеличит то, сколько зерна оно может вырастить, но сегодня это обходится ценой более короткого вегетационного периода.

В будущем в целом станет теплее, и кукурузу можно будет сажать раньше, а собирать урожай позже в этом сезоне. Более продолжительный вегетационный период избавляет кукурузу от этого компромисса и позволяет ей вырастить больше листьев и при этом иметь достаточно времени для выращивания зерна (дополнительный импульс дает более быстрый рост при более высоких температурах).

По сути, в этом смысле растения кукурузы будущего тоже смогут получить свой пирог и съесть его. Сорта, которые мы смоделировали, воспользовавшись способностью выращивать больше листьев, дали больше урожая в будущих климатических условиях, чем сорта с меньшим ростом листьев. Однако это не очень хорошие новости для кукурузы. Хотя кукуруза сможет вырастить больше листьев и у нее еще будет достаточно времени для выращивания зерна, неблагоприятное воздействие высоких температур и сухого воздуха снизит общую урожайность. Выращивание большего количества листьев и более длительный вегетационный период помогают смягчить эти неблагоприятные воздействия, но в целом все растения кукурузы, которые мы смоделировали, показали худшие результаты в будущих климатических условиях.

Есть ли какой-либо способ проверить эти результаты на реальных растениях? прежде чем эти климатические условия станут реальностью?

Хотя растений, которые, как мы обнаружили, будут лучше всего себя чувствовать в будущих климатических условиях, в настоящее время не существует, растения со многими из этих характеристик можно быстро вывести, используя генетические методы, такие как CRISPR. Затем их можно будет выращивать в контролируемых климатических условиях, чтобы проверить, применимы ли наши выводы к реальным растениям. Эта часть процесса происходит на удивление быстро, поэтому мы можем создавать и испытывать новые сорта растений до того, как они потребуются.

Почему полезно использовать компьютерные модели, а не просто селекцию, как это делалось раньше?

Выведение новых сортов сельскохозяйственных культур – очень медленный процесс. Путь от первоначального разведения до тестирования и принятия фермерами может занять десятилетия. Процесс начинается с выбора среди существующих сортов сельскохозяйственных культур по желаемым характеристикам, включая высокую урожайность. Затем эти новые потенциальные сорта объединяются, выращиваются и тестируются в различных средах и с разным управлением. Наконец, окончательные сорта выпускаются в продажу и затем могут быть приняты фермерами.

С помощью моделирования мы можем протестировать гораздо более широкий диапазон возможных комбинаций характеристик, которые могут хорошо подойти для нового сорта, и использовать эти знания. для руководства первыми этапами разведения. Это может ускорить процесс размножения и ускорить нашу способность адаптироваться к меняющемуся климату. Это также дает нам информацию о том, какие характеристики мы могли бы попытаться создать, которые находятся дальше от существующих разновидностей.

Как ваше исследование вписывается в более широкую область адаптации к изменению климата?

Нам нужно будет адаптировать сельское хозяйство разными способами, чтобы поддержать растущее население с растущим спросом на продукты питания в сочетании с потерей урожайности, которую мы ожидайте, поскольку климат станет жарче. Наше исследование помогает начать процесс выведения климатически устойчивых культур, представляя, как эти культуры должны выглядеть. Наше исследование также предоставляет схему того, как провести этот анализ для других типов культур, помимо кукурузы.

Хотя в этом исследовании мы фокусируемся на кукурузе, мы рассматриваем нашу работу как демонстрацию подхода, который может быть применен к любой культуре, и, таким образом, скорее, как план того, как мы можем учесть ожидаемые последствия изменения климата при выведении новых культур. разновидности.

Недавно в США мы услышали о выравнивании численности населения из-за снижения рождаемости и о переходе на менее ресурсоемкие растительные диеты. Можете ли вы объяснить, почему во всем мире мы все еще ожидаем увеличения спроса на кукурузу?

Население мира продолжает расти, и, помимо роста общей численности, население мира становится более состоятельным и увеличивает потребление мяса. В США наш рацион уже очень мясной, поэтому переход к менее ресурсоемким и растительным диетам имеет большой смысл с точки зрения здоровья и окружающей среды.

Однако потребление мяса во многих частях мира в настоящее время очень низкое. По мере увеличения благосостояния этих групп населения мы ожидаем, что в некоторых случаях потребление мяса будет расти. Такое увеличение благосостояния положительно влияет на благосостояние этих людей. Адаптируя сельское хозяйство, мы надеемся компенсировать потери урожая, ожидаемые из-за более высоких температур, и помочь обеспечить достаточное количество еды для всех.

Что дальше в этом исследовании?

Мы хотели бы работать с селекционерам создать некоторые сорта кукурузы, предложенные в нашем исследовании, и провести аналогичные исследования на других основных мировых продовольственных культурах. В настоящее время мы ищем дополнительные источники финансирования для осуществления следующих шагов.

Ведущий автор Дженнифер Сяо выполнила эту работу в рамках своей докторской степени по биологии в Университете Вашингтона. Соавторы: Су-Хён Ким, профессор кафедры экологических и лесных наук Университета Вашингтона; Деннис Тимлин из Министерства сельского хозяйства США; и Натаниэль Мюллер из Университета штата Колорадо.

Дополнительная информация: Дженнифер Сяо и др., Адаптация к климату с помощью моделей для будущего кукурузы в США, Экологические исследования: продовольственные системы (2024 г.). DOI: 10.1088/2976-601X/ad3085

Предоставлено Вашингтонским университетом

Новости сегодня

Последние новости