Группа ученых только что разработала именно это: динамическую модель, которая предсказывает, какие фотосинтетические манипуляции с растениями повысят урожайность пшеницы и сорго.
«Мы разработали надежный, биологически точный инструмент прогнозирования, который может количественно оценить прирост урожайности, связанный с манипулированием фотосинтезом в реалистичных условиях сельскохозяйственных культур», – сказал доктор Алекс Ву из Центра передового опыта ARC по трансляционному фотосинтезу (CoETP) и Университета Квинсленда ( UQ).
Растения превращают солнечный свет, углекислый газ и воду в пищу посредством фотосинтеза, и несколько исследований показали, что этот жизненно важный процесс может быть более эффективным.
«До сих пор было сложно оценить влияние этих манипуляций на урожайность сельскохозяйственных культур.
Этот инструмент прогнозирования поможет нам найти новые способы повышения урожайности продовольственных культур во всем мире."
Доктор Ву, ведущий автор статьи, опубликованной на этой неделе в журнале Nature Plants, сказал, что этот инструмент моделирования обладает способностью связывать биологические масштабы от биохимии листа до всей полевой культуры в течение вегетационного периода путем интеграции фотосинтеза и модели культур.
«Это мощный инструмент для оценки и управления фотосинтетическими манипуляциями и выявления эффектов, которые затрудняют взаимосвязь между эффективностью фотосинтеза и урожайностью», – сказал он.
Заместитель директора центра профессор Сюзанна фон Каммерер сказала, что одним из самых инновационных аспектов исследования было использование подхода к кросс-масштабному моделированию для изучения взаимодействия между фотосинтезом и порами листа, которые позволяют обмен CO2 и водяного пара.
"Мы знаем, что не так просто сказать, что улучшение фотосинтеза повысит урожайность. Ответ зависит от ситуации ", – сказал профессор фон Каммерер, исследователь Австралийского национального университета (ANU), который является соавтором исследования.
«Например, мы обнаружили, что у таких культур, как сорго, большее количество фотосинтеза может фактически снизить урожайность в условиях ограниченного количества воды. Моделирование предсказывает, что мы сможем справиться с этим снижением урожайности, если сможем также поддерживать стабильную скорость поступления углекислого газа или выхода водяного пара из пор листа."
Соавтор и главный исследователь центра профессор Грэм Хаммер из UQ сказал, что это исследование способствует развитию трансдисциплинарных исследований, необходимых для улучшения урожая в будущем.
"Он связывает исследования всего Центра, основной упор делается на повышение урожайности основных основных культур, таких как пшеница, рис, сорго и кукуруза, за счет усиления фотосинтеза."
«Теперь, когда мы разработали и протестировали эту прогностическую модель, нашим следующим шагом будет тесное сотрудничество с сотрудниками CoETP для разработки сценариев моделирования, которые проверяют влияние других целей биоинженерии и селекции», – сказал профессор Хаммер.
Одним из таких сотрудников является профессор ANU Грэм Фаркуар, соавтор исследования.
«В этом исследовании мы масштабируемся на весь сезон роста сельскохозяйственных культур и включаем эффекты обратной связи на фотосинтез ресурсов для сельскохозяйственных культур, таких как вода, что имеет решающее значение для прогнозирования последствий для урожайности сельскохозяйственных культур в будущей австралийской среде сельскохозяйственных культур», – сказал руководитель центра. Исследователь профессор Фаркуар из Исследовательской школы биологии ANU.
Команда исследовала три основные цели манипуляции фотосинтезом – повышение активности основного фотосинтетического фермента Рубиско; повышение способности листьев переносить электроны; и улучшение потока углекислого газа (CO2) через внутренние слои листа.
«Это исследование позволяет нам количественно оценить последствия для урожайности этих трех целевых показателей и их комбинаций для пшеницы и сорго в условиях орошения или засушливых земель», – сказал д-р Ву.
Команда обнаружила, что изменения урожайности варьируются от снижения на 1% до увеличения на 12%, в зависимости от сочетания целей фотосинтеза, урожая и условий окружающей среды, таких как доступность воды.
Это исследование опубликовано в журнале Nature Plants при финансовой поддержке Центра передового опыта в области трансляционного фотосинтеза Австралийского исследовательского совета (ARC) при Австралийском национальном университете и Университете Квинсленда.