Селекционеры собираются создать пшеницу, которая сможет противостоять растущей и пагубной для культуры разнице дневных и ночных температур.
Исследования моделирования прогнозируют, что пшеница в Австралии столкнется с тепловым стрессом, и ночное потепление наблюдается во все времена года на большей части территории страны. Ночная жара опаснее для пшеницы, чем дневная.
Пшеница является вторым по значимости злаком в мире, обеспечивая 20% от общего количества калорий и белка в рационе. Глобальные прогнозы показывают, что к 2050 году спрос на продовольствие вырастет на 35–56%, что потребует ежегодного увеличения на 2% для удовлетворения потребностей растущего населения. Более того, это увеличение должно быть обеспечено в контексте меняющегося климата, характеризующегося увеличением частоты краткосрочных и долгосрочных абиотических стрессовых событий.
Так как пшеница относится к прохладному сезону, даже небольшое повышение температуры представляет риск для нее из-за воздействия на баланс углерода и воды. Вегетативный период роста пшеницы в целом демонстрирует большую устойчивость к жаре из-за более высокого общего потенциала восстановления на этих стадиях, что поддерживает урожайность зерна.
Однако стадии цветения и налива зерна чувствительны к тепловому стрессу, который может резко снизить количество и вес зерен, влияя на общую урожайность. Высокие температуры во время этих критических стадий также заметно влияют на качество зерна, снижая содержание крахмала и белка.
Идеальная температура в период налива зерна для большинства сортов пшеницы колеблется от 12 до 22 °C, а диапазон температур 30–34 °C с ночной температурой 20–25 °C является максимальной пороговой температурой для пшеницы.
Суточная асимметрия в повышении температуры является особенностью изменяющегося климата и глобального потепления, при этом большинство моделей предсказывают более выраженное повышение ночной температуры, чем повышение дневной температуры.
Высокая ночная температура сама по себе может оказывать такое же влияние на урожайность зерна и биомассы, как и стресс от высокой дневной температуры из-за сокращения периода вегетации, продолжительности налива зерна и плодородности колосков.
Высокая ночная температура связана с усилением ночного дыхания, что приводит к потере углерода, одной из основных причин снижения биомассы, а также к изменению качестве семян.
Кроме того, урожайность пшеницы показывает более сильную корреляцию с ночными температурами, чем с максимальными дневными температурами. Таким образом, ночная жара становится критическим фактором, влияющим на производство пшеницы в Австралии.
Этот эффект варьируется в зависимости от стадий воздействия, что позволяет предположить, что культуры, посеянные в разные даты, будут по-разному реагировать на существующий ночной температурный режим окружающей среды. Культуры используют разные механизмы для преодоления теплового стресса, которые регулируются на молекулярном уровне, а термотолерантность приобретается в результате активных процессов, которые направляют ресурсы на функциональное и структурное поддержание. Кроме того, воздействие ночной жары до цветения улучшает термическую акклиматизацию после цветения в критические периоды, тем самым создавая возможности раннего посева для устойчивости в условиях более теплых ночей в период после цветения в австралийских тропиках.
Вместе с тем, поскольку высокие дневные и высокие ночные температуры оказывают схожее воздействие на физиологию, биохимические показатели, рост и урожайность, они накапливают и усугубляют свое воздействие.
Исследователи из Центрального университета Квинсленда в сотрудничестве с коллегами из Непала и США изучили эффекты ночной жары посредством параллельного эксперимента в контролируемой среде и полевого испытания в Центральном Квинсленде, проведенного с различными датами посева, чтобы подвергнуть культуру воздействию различных ночных температур и, в числе прочего, выяснить оптимальные даты посева и основные физиологические и фенологические основы толерантности к ночной жаре у генотипов пшеницы.
Два генотипа пшеницы, «Фарадей» (Faraday) и AVT#6, были оценены при трех датах посева — 1 мая (ранняя), 15 июня (средняя) и 1 августа (поздняя) — в пределах рекомендуемого окна посева для региона. В параллельном исследовании в вегетационной камере растения подвергались воздействию двух ночных температурных режимов: 15 °C (нормальная) и 20 °C (высокая), при постоянных дневных условиях от выхода в трубку до созревания.
Поздний посев привел к сокращению периодов вегетационного роста и налива зерна и увеличению воздействия ночной жары в репродуктивную фазу. Это привело к повышенной стерильности соцветий, снижению веса зерна и потере урожая до 40%. AVT#6 проявил большую чувствительность к ночной жаре, несмотря на более раннее созревание.
Результаты, полученные в камерах с контролируемой средой, соответствовали тенденциям полевого эксперимента, продемонстрировав снижение урожайности зерна и биомассы при воздействии ночной жары. Суммарное количество ночных часов с температурой выше 20 °C коррелировало с потерями урожая сильнее, чем дневное тепло. Эти результаты подчеркивают необходимость срочного создания генотипов, устойчивых к ночной жаре, и оптимизации сроков посева в условиях будущих климатических сценариев для Австралии.
«Данное исследование убедительно доказывает, что высокая ночная температура, обусловленная асимметричным дневным потеплением, представляет угрозу урожайности пшеницы в тропических условиях Австралии. Благодаря сочетанию полевых испытаний, включавших дифференцированные сроки посева, и экспериментов в контролируемых условиях, включавших постоянный день с нормальными и высокими ночными температурами, мы продемонстрировали, что ночная жара ускоряет фенологическое развитие, особенно на репродуктивных стадиях, сокращает продолжительность налива зерна, повышает стерильность соцветий и снижает урожайность зерна. Между двумя исследованными генотипами наблюдались генотипические различия: AVT#6 продемонстрировал большую чувствительность по сравнению с «Фарадеем». Оба эксперимента подтвердили, что ночная жара увеличивает интенсивность ночного дыхания и снижает интенсивность фотосинтеза, изменяя баланс углерода в период налива зерна. Кумулятивные ночные часы с температурой выше 20 °C показали наиболее сильную отрицательную связь с урожайностью зерна, чем показатели дневных часов или их совокупность. Эти результаты объясняют необходимость создания устойчивых к ночной жаре генотипов пшеницы и стратегической корректировки сроков посева для смягчения последствий, связанных с ночным потеплением в условиях меняющегося климата», заключили исследователи.
Источник: Agriculture 2025, doi.org/10.3390/agriculture15151687