Новая компьютерная модель учитывает, как микроскопические поры на листьях могут открываться в ответ на свет — это достижение может помочь учёным создавать виртуальные растения для прогнозирования того, как более высокие температуры и растущие уровни углекислого газа повлияют на продовольственные культуры, согласно исследованию, опубликованному сегодня в специальном выпуске журнала Photosynthesis Research.
«Это захватывающая новая компьютерная модель, которая может помочь нам делать гораздо более точные прогнозы в широком диапазоне условий», — сказал Йоханнес Кромдейк, руководивший работой в рамках международного исследовательского проекта под названием Realizing Increased Photosynthetic Efficiency (RIPE).
RIPE, возглавляемый Университетом Иллинойса, проектирует культуры, чтобы они были более продуктивными без использования большего количества воды, путём улучшения фотосинтеза — естественного процесса, который все растения используют для преобразования солнечного света в энергию для роста и урожайности. RIPE поддерживается Фондом Билла и Мелинды Гейтс, Американским фондом продовольственных и сельскохозяйственных исследований (FFAR) и Департаментом международного развития правительства Великобритании (DFID).
Текущая работа была сосредоточена на моделировании поведения так называемых устьиц — микроскопических пор в листьях, которые в ответ на свет открываются, позволяя воде, углекислому газу и кислороду входить и выходить из растения. В 2018 году команда RIPE опубликовала статью в Nature Communications, показавшую, что увеличение одного конкретного белка может побудить растения частично закрывать свои устьица — до такой степени, что фотосинтез не затрагивался, но потери воды значительно снижались. Экспериментальные данные этого исследования были использованы для создания улучшенной модели устьиц, представленной сегодня.
Новая компьютерная модель учитывает, как микроскопические ртообразные поры на листьях (на фото) могут открываться в ответ на свет — достижение, которое может помочь учёным создавать виртуальные растения для прогнозирования влияния более высоких температур и растущих уровней углекислого газа на продовольственные культуры. Изображение предоставлено Йоханнесом Кромдейком.
«Мы десятилетиями знали, что фотосинтез и открытие устьиц тесно скоординированы, но то, как именно это работает, оставалось неопределённым», — сказал Стивен Лонг, заведующий кафедрой Ikenberry по наукам о культурах и биологии растений в Университете Иллинойса. «С этой новой компьютерной моделью у нас есть гораздо лучший инструмент для расчёта движений устьиц в ответ на свет».
Конечная цель, по словам Лонга, — выявить возможности контроля этих устьичных «привратников», чтобы создать засухоустойчивые культуры. «Теперь мы приближаемся к недостающему звену: как фотосинтез сообщает устьицам, когда открываться».
Компьютерное моделирование стало крупным достижением в селекции культур. Отец современной генетики Грегор Мендель совершил своё прорывное открытие, что горох наследует признаки от родителей, выращивая и разводя более 10 000 растений гороха в течение восьми лет. Сегодня учёные-растениеводы могут виртуально выращивать тысячи культур за считанные секунды, используя эти сложные компьютерные модели, имитирующие рост растений.
Модели устьиц используются вместе с моделями фотосинтеза для составления широких прогнозов — от будущей урожайности до управления культурами, например, как культуры реагируют при дефиците воды. Кроме того, эти модели могут дать учёным представление о том, как такие культуры, как пшеница, кукуруза или рис, могут быть затронуты растущими уровнями углекислого газа и более высокими температурами.
«Предыдущая версия модели устьиц использовала зависимость, которая не соответствовала нашему современному пониманию движений устьиц», — сказал Кромдейк, ныне университетский лектор Кембриджского университета. «Мы обнаружили, что нашей новой версии требуется гораздо меньше настройки для получения высокоточных прогнозов».
Слева направо: учёные Йоханнес Кромдейк, Стивен Лонг и Катажина Гловацка улучшили модель, используемую для прогнозов урожая, включив в неё то, как микроскопические ртообразные поры на листьях могут открываться в ответ на свет. Фото: Брайан Стауффер/Университет Иллинойса
Тем не менее предстоит проделать большую работу, чтобы показать, что эта модифицированная модель работает в широком разнообразии применений, и дополнительно обосновать взаимосвязь между устьицами и фотосинтезом.
«Мы должны показать, что эта модель работает для разнообразного диапазона видов и мест», — сказала бывший участник RIPE Катажина Гловацка, ныне доцент Университета Небраски-Линкольна. «Крупномасштабные имитационные модели связывают воедино модели атмосферной турбулентности, перехвата света, доступности почвенной воды и другие, поэтому мы должны убедить несколько исследовательских сообществ, что это улучшение, которое стоит сделать».