Парниковые газы в атмосфере поглощают тепло, исходящее от поверхности Земли. Естественные биологические процессы приводят к выбросу некоторых из наиболее распространённых парниковых газов, таких как водяной пар, углекислый газ и закись азота (N₂O). Меры, называемые «климатически разумными», направлены на сокращение выбросов парниковых газов, и это относится к селекции сои.
По словам Бо Чжан, доцента и селекционера сои в Вирджинском политехническом университете, до 80% N 2 O в цепочке поставок продовольствия поступает из почвы. «Мы наблюдали вариации в выбросах парниковых газов в образцах почвы, отобранных на сельскохозяйственных исследовательских станциях Вирджинии в ходе пилотного исследования 2024 года. «Эти результаты позволили нам выдвинуть гипотезу о том, что сорта сои могут влиять на выбросы парниковых газов из почвы. Наше текущее исследование имеет долгосрочную цель - разработать сорта сои, которые снижают выбросы парниковых газов с фермерских полей» - говорит она.
Это фундаментальное исследование финансируется за счёт национальной программы Soy Checkoff. Хотя американская соя уже имеет самый низкий углеродный след по сравнению с соей других источников, будущие сорта сои будут способствовать постоянному повышению устойчивости американского производства этой культуры. Выращивание таких сортов может повысить ценность и открыть новые рыночные возможности для потребителей сои, ориентированных на достижение конкретных целей в области устойчивого развития, что потенциально может повысить спрос на американскую сою.
В этом исследовании Бо Чжан сотрудничает с Хуцзе Ган, доцентом кафедры почвенной экологии Политехнического университета Вирджинии, и Райаном Стюартом, профессором, специализирующимся на количественной оценке взаимодействия воды, почвы и растений. Вместе они разрабатывают уникальный подход к сокращению выбросов парниковых газов от выращивания сои.
Соевые бобы используют азот для производства большого количества белка, что делает их ценными как для пищевых продуктов, так и для кормов.
«Поскольку соевые бобы фиксируют азот из атмосферы в корневых клубеньках, они также производят богатые азотом остатки, которые служат пищей почвенным микробам, - объясняет Хуцзе Ган, - но иногда часть закиси азота просачивается в окружающую среду в процессе микробной переработки азота. Это основной источник выбросов из почвы».
Взаимодействие почвенных микробов с корнями сои определяет азотфиксацию, образование доступного растениям азота и побочных продуктов. Это взаимодействие также может быть связано с количеством выделяемого N2O.
Другие исследования сои установили связь между генетикой и взаимодействием корней с почвой. Однако обзор существующих исследований выявил пробелы в понимании особенностей корней.
«Мы начали с создания платформы для количественной оценки фенотипов корней», - говорит Хуцзе Ган. Она возглавила работу по сравнению, анализу и описанию наблюдаемых различий около 200 генотипов сои. Ученый выращивала сою в гидропонной системе, чтобы наблюдать за развитием корней, используя анализ изображений для их характеристики: «Мы отобрали группу из девяти генотипов с разным соотношением корней и побегов для испытаний на рост. Это поможет нам связать генотипы корней с выбросами».
Девять отобранных сортов сои с различными характеристиками корней выращиваются в ходе повторных экспериментов как в теплице, так и в полевых условиях. Стюарт, специалист по физике почв, возглавляет работу по измерению выбросов парниковых газов этими растениями.
«Мы измеряем уровень углекислого газа и метана, но выбросы закиси азота являются наиболее изменчивыми и представляют наибольший интерес», - говорит он.
В теплице команда помещает растения в закрытые камеры для измерения выбросов за определённый период времени. Контролируемая среда обеспечивает точные измерения и помогает выявить связи между генотипами и выбросами. Однако данные, полученные в полевых условиях, дают наиболее полную картину происходящего.
«Выбросы сложнее сдерживать в полевых условиях, и на то, что происходит, влияют такие факторы окружающей среды, как температура и влажность», - объясняет Стюарт.
Он объединяет различные измерения, чтобы понять, что происходит вокруг соевых бобов в полевых испытаниях. Колпачки, установленные на кольцах, вставленных в почву, улавливают газы, выходящие из этих камер вокруг растения или проникающие в них в течение короткого времени. Физические образцы почвы количественно определяют такие характеристики, как влажность почвы и формы азота в ней. Команда также планирует выкопать растения, чтобы охарактеризовать особенности корней и микробов, живущих вблизи корней.
Ученые планируют проводить эти полевые испытания в течение двух лет, чтобы учесть большую изменчивость окружающей среды и подтвердить связи между типами корней и выбросами N2O.
Секвенирование девяти генотипов сои в ходе испытаний на рост даёт исчерпывающую генетическую информацию. Бо Чжан планирует сравнить эти данные с фенотипическими данными, полученными в ходе исследования корней, и данными о выбросах парниковых газов, полученными в ходе тепличных и полевых испытаний.
«В совокупности эти данные позволят нам выявить структурные изменения в геноме, которые могут быть связаны с сокращением выбросов парниковых газов. Это поможет нам выбрать потенциальные родительские линии, и ожидается, что селекция начнётся на третий год проекта», - говорит она.
В то же время группа намерена провести экономический анализ, чтобы определить, как выбор сортов с более низким уровнем выбросов парниковых газов может повлиять на окупаемость инвестиций фермеров.
Бо Чжан признаёт, что после начала селекционной работы новые сорта появятся только через много лет. Тем не менее, она считает, что это исследование закладывает прочную основу, которая поможет американским фермерам, выращивающим сою, постоянно совершенствоваться. Поскольку устойчивое развитие и углеродный след становятся требованиями для все большего числа клиентов по всему миру, сорта сои, выведенные на основе генетики, полученной в ходе этой работы, могут повысить ценность соевой отрасли США.
Источник: Virginia Tech. Автор: Лора Темпл.
На фото изображен экспериментальный этап. Для изучения особенностей корней сорта сои выращивались в гидропонной системе. Исследовательская группа использовала анализ изображений для каталогизации различий в развитии корней каждого сорта. Фото: Virginia Tech.