Улучшенная модель может помочь учёным лучше прогнозировать урожайность и последствия изменения климата
Новая компьютерная модель учитывает, как микроскопические устьица на листьях могут открываться в ответ на свет, — достижение, которое может помочь учёным создавать виртуальные растения для прогнозирования влияния более высоких температур и растущего уровня углекислого газа на продовольственные культуры.
Согласно исследованию, опубликованному сегодня в специальном выпуске журнала Photosynthesis Research, новая компьютерная модель учитывает, как микроскопические поры на листьях могут открываться в ответ на свет. Это достижение поможет ученым создавать виртуальные растения для прогнозирования того, как повышение температуры и уровня углекислого газа повлияет на продовольственные культуры.
«Это впечатляющая новая компьютерная модель, которая поможет нам делать гораздо более точные прогнозы в широком диапазоне условий», — сказал Йоханнес Кромдейк, руководивший работой в рамках международного исследовательского проекта Realizing Increased Photosynthetic Efficiency (RIPE).
Проект RIPE, возглавляемый Иллинойсским университетом, занимается инженерией сельскохозяйственных культур для повышения их продуктивности без увеличения потребления воды за счет улучшения фотосинтеза — естественного процесса, который все растения используют для преобразования солнечного света в энергию для обеспечения роста и урожайности. RIPE поддерживается Фондом Билла и Мелинды Гейтс, Фондом исследований в области продовольствия и сельского хозяйства США (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 поступать в растение и выходить из него. В 2018 году команда RIPE опубликовала статью в Nature Communications, в которой было показано, что увеличение содержания одного специфического белка может заставить растения частично закрывать устьица — до такой степени, что фотосинтез не затрагивается, но потеря воды значительно снижается. Экспериментальные данные этого исследования были использованы для создания новой улучшенной модели устьиц, представленной сегодня.
Новая компьютерная модель учитывает, как микроскопические, похожие на рот поры на листьях (на фото) могут открываться в ответ на свет — достижение, которое поможет ученым создавать виртуальные растения для прогнозирования влияния высоких температур и растущего уровня 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 неясным», — сказал Стивен Лонг, почетный профессор растениеводства и биологии растений в Иллинойсском университете. «С этой новой компьютерной моделью у нас появился гораздо более совершенный инструмент для расчета движений устьиц в ответ на свет».
Конечная цель, по словам Лонга, состоит в том, чтобы найти возможности управления этими «устьичными привратниками» для создания засухоустойчивых культур. «Теперь мы приближаемся к недостающему звену: как фотосинтез сообщает устьицам, когда им открываться».
Компьютерное моделирование стало крупным прорывом в селекции сельскохозяйственных культур. Отец современной генетики Грегор Мендель совершил свое эпохальное открытие о том, что горох наследует признаки от родителей, выращивая и скрещивая более 10,000 растений гороха в течение восьми лет. Сегодня ученые-растениеводы могут виртуально выращивать тысячи культур за считанные секунды, используя эти сложные компьютерные модели, имитирующие рост растений.
Устьичные модели используются вместе с моделями фотосинтеза для составления широкого спектра прогнозов — от будущей урожайности до управления посевами, например, того, как сельскохозяйственные культуры реагируют на дефицит воды. Кроме того, эти модели позволяют ученым предварительно оценить, как на такие культуры, как пшеница, кукуруза или рис, могут повлиять повышение уровня углекислого газа и более высокие температуры.
«Предыдущая версия устьичной модели использовала взаимосвязь, которая не соответствовала нашему нынешнему пониманию движений устьиц», — сказал Kromdijk, ныне преподаватель Кембриджского университета. «Мы обнаружили, что наша новая версия требует гораздо меньшей настройки для получения высокоточных прогнозов».
Слева направо: ученые Johannes Kromdijk, Stephen Long и Katarzyna Glowacka усовершенствовали модель, используемую для прогнозирования урожайности, включив в нее механизм того, как микроскопические, похожие на рот поры на листьях могут открываться в ответ на свет. Фото: Brian Stauffer/University of Illinois
Тем не менее, предстоит еще много работы, чтобы доказать, что эта модифицированная модель функционирует в самых разных приложениях, и еще больше обосновать взаимосвязь между устьицами и фотосинтезом.
«Мы должны показать, что эта модель работает для широкого спектра видов и локаций», — сказала бывший член RIPE Katarzyna Glowacka, ныне доцент Университета Небраски-Линкольна. «Крупномасштабные имитационные модели связывают воедино модели атмосферной турбулентности, перехвата света, доступности почвенной влаги и другие — поэтому нам необходимо убедить несколько исследовательских сообществ в том, что это улучшение, которое стоит внедрить».