Одомашнивание сои связано с более высокой проводимостью мезофилла для усиления фотосинтеза, выяснили исследователи.
Соя – одна из важнейших культур в мире как крупный источник растительного белка и второй по величине источник растительных масел. Основными районами производства являются Северная и Южная Америка, а также Восточная Азия. Улучшение агротехнических методов и интенсивные программы селекции привели к устойчивому росту урожайности сои. Однако этого оказалось недостаточно для удовлетворения высокого спроса, что привело к расширению на более естественные земли.
Повышение эффективности фотосинтеза, особенно если этого можно достичь без увеличения количества воды, может быть одним из способов дополнить селекционные усилия и добиться большей урожайности на существующих обрабатываемых землях.
В сельскохозяйственных условиях листья полога сельскохозяйственных культур постоянно испытывают колебания интенсивности света из-за изменения угла падения солнечных лучей, облачности, ветра и внутривидового затенения.
Соя также является распространенной бобовой культурой нижнего яруса в системах промежуточных культур, где такие колебания света усиливаются межвидовым затенением. Однако реакция фотосинтеза на колебания света не мгновенна, и результирующая потеря может стоить до 13% потенциального усвоения углерода в сое.
В новом исследовании, проведенном в рамках проекта «Реализация повышения эффективности фотосинтеза» (Realizing Increased Photosynthetic Efficiency (RIPE)), исследователи из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне углубились в историю одомашнивания сои и обнаружили, что у современных растений повышенная проводимость мезофилла. Это означает, что углекислый газ быстрее перемещается изнутри листа к ферменту Rubisco, фиксирующему углерод, и, следовательно, увеличивает фотосинтез без потери дополнительной воды. Это открытие было недавно опубликовано в журнале Plant, Cell and Environment.
«Мы подумали, что было бы очень интересно взглянуть на некоторые древние сорта сои и сравнить их с современными сортами. Это дает нам представление о том, существует ли естественная изменчивость, способствующая прямому селекционному отбору для повышения производительности и эффективности использования воды, - сказала Елена Пелех, научный сотрудник Long Lab. - Я взяла для эксперимента высокоурожайный сорт сои под названием LD11 (Glycine max), который был выведен здесь, на Среднем Западе, а затем отобрала четыре предковых сорта (Glycine soja), обнаруженных в северо-восточных провинциях Китая, предполагаемом районе одомашнивания».
В ходе исследования семена современной и древней сои выращивали в теплице, а также измеряли проводимость мезофилла после перехода из тени на солнце с использованием одновременных измерений газообмена и дискриминации изотопов углерода.
«Предки одомашненной сои - это вьющиеся растения, которые могли избежать значительной тени по сравнению с сегодняшними густыми пологами сои, где переходы от тени к солнцу происходят часто, а скорость проводимости мезофилла может увеличиваться, поскольку эти переходы влияют на фотосинтез», - поясняет исследователь.
Большинство опубликованных данных были сосредоточены на условиях устойчивого состояния, то есть растения содержались в условиях постоянного освещения, температуры или CO 2. С помощью метода одновременного газообмена и дискриминации изотопов углерода исследователи смогли изменить эти условия, в частности переменную света, чтобы измерить динамическую реакцию проводимости мезофилла.
Результаты позволили исследовательской группе обнаружить, что после перехода от тени к солнцу проводимость мезофилла стала существенным ограничением для фотосинтеза сои, однако проводимость мезофилла для современного сорта была в два раза выше, что соответствовало существенному увеличению фотосинтеза и эффективности использования воды.
«Эти данные говорят сами за себя, - говорит Пелех. - Есть доказательства того, что мы косвенно увеличили проводимость мезофилла в два раза, что говорит о сильном ограничении фотосинтеза , которое снизилось в результате отбора и последующего разведения».
Теперь, вооружившись этими знаниями, ученые могут раскрыть неисследованный потенциал селекции сои, чтобы обеспечить дальнейшее устойчивое повышение урожайности без дополнительного полива. Это одна из многих стратегий, дополняющих селекционные усилия по увеличению производства сельскохозяйственных культур на существующих сельскохозяйственных землях.
Источник: Realizing Increased Photosynthetic Efficiency (RIPE) Project. Автор: Тай Ноэль.
Заглавное фото: Медведева Анна, AgroXXI.ru.