Картофель является третьим по значимости основным продуктом питания во всем мире после риса и пшеницы и считается наиболее значимой незерновой продовольственной культурой. Клубни картофеля богаты углеводами, витаминами, минералами и белками. Они также дают большое количество сухого вещества и калорий на единицу площади и времени, что делает их отличным источником энергии и необходимых питательных веществ.
По состоянию на 2022 год мировое потребление химических удобрений выросло до 187,92 млн тонн, при этом азотные (N) удобрения составили около 58 процентов от общего объема.
Поскольку картофель относится к особенно азотоемкими культурами, он требует большего количества азотных удобрений, чем другие виды удобрений. В северной Индии, например, фермеры применяют высокие нормы азотных удобрений, варьирующиеся от 180 до 280 кг на гектар, чтобы добиться урожайности клубней от 40 до 50 тонн с гектара.
Тем не менее, растения поглощают только от 40 до 50 процентов вносимого азота, а это означает, что значительная его часть теряется в окружающей среде. Чрезмерное использование азотных удобрений может привести к выщелачиванию нитратов и выбросам парниковых газов, что способствует деградации почвы, проблемам со здоровьем человека, а также загрязнению воздуха и воды. Поэтому крайне важно сократить использование азотных удобрений и повысить их эффективность для защиты окружающей среды.
Недавняя научная работа, проведенная Индийским советом сельскохозяйственных исследований (ICAR) - Центральным научно-исследовательским институтом картофеля (CPRI) в Шимле, штат Химачал-Прадеш, в сотрудничестве с коллегами из Индийского института исследований овощей, Варанаси, Уттар-Прадеш, Индия, было сосредоточено на двух сортах картофеля: Куфри Джоти (Kufri Jyoti), который менее эффективен в использовании азота, и Куфри Пукхрадж (Kufri Pukhraj), который более эффективен.
Исследователи выращивали эти сорта в контролируемых условиях с использованием системы аэропоники, которая позволяет растениям расти на воздухе, а их корни подвергаются воздействию питательного раствора в виде тумана. Они протестировали два уровня азота: низкий (0,5 мМ) и высокий (5 мМ).
В течение двух лет команда наблюдала, что Куфри Пукхрадж постоянно давал более высокие урожаи, особенно при низком уровне внесения азота, что указывает на его превосходную эффективность использования азота. Чтобы понять генетическую основу этой эффективности, исследователи провели транскриптомный анализ. Этот метод исследует экспрессию генов в тканях растения, таких как листья и клубни, в различных условиях. Ученые получили высококачественные данные, что гарантирует надежность их выводов.
Сравнивая экспрессию генов между двумя сортами картофеля, исследование выявило несколько генов, которые были либо более активными (повышенной регуляции), либо менее активными (пониженной регуляции) в двух сортах. Эти гены участвуют в различных биологических процессах, включая транспорт азота, регулирование воды и синтез важных молекул, таких как аминокислоты и сахара.
Исследование основано на предыдущих работах, которые подчеркнули важность азота для роста картофеля и показали, что различные ткани картофеля по-разному реагируют на различные уровни азота, идентифицируя конкретные гены, которые помогают растениям справляться с азотным стрессом. В одном из исследований также было установлено, что микроРНК, небольшие генетические регуляторы, влияют на метаболизм азота в картофеле.
Объединив эти результаты, индийские исследователи предоставили более полное понимание генетических механизмов, которые позволяют некоторым сортам картофеля более эффективно использовать азот. Одним из ключевых открытий последних исследований стала идентификация генов, таких как глутаредоксин, который помогает в управлении окислительным стрессом, и различных факторов транскрипции, таких как BTB/POZ, AP2/ERF и MYB, которые регулируют другие гены, участвующие в росте и реакциях на стресс.
Ученые также определили гены, связанные с переносчиками азота и белками, которые облегчают движение воды внутри растения, что имеет решающее значение для поддержания здоровья и производительности растений при различных уровнях азота. Кроме того, исследователи идентифицировали несколько генов, которые были особенно активны в Куфри Пукхрадж при ограниченном количестве азота. К ним относятся ингибитор цистеиновой протеазы 1, миракулин, стеролдесатураза и пектинэстераза. Эти гены, вероятно, играют роль в оптимизации роста растения и производства клубней даже при дефиците азота, что делает Куфри Пухрадж ценным сортом для устойчивого сельского хозяйства.
Методы, используемые в этом исследовании, такие как количественная полимеразная цепная реакция в реальном времени (RT-qPCR), были необходимы для проверки данных об экспрессии генов. Этот шаг гарантировал, что идентифицированные гены действительно способствуют эффективности использования азота и высокой урожайности клубней. Сосредоточившись как на тканях листьев, так и клубней, исследователи смогли связать модели экспрессии генов с фактической производительностью растений, предоставив реальные идеи для программ селекции картофеля.
Это исследование не только подкрепляет более ранние выводы о генетической основе метаболизма азота в картофеле, но и расширяет их, выявляя конкретные гены, которые могут быть направлены на повышение эффективности использования азота.
Понимая, какие гены задействованы и как они функционируют, селекционеры могут выводить новые сорта картофеля, которым требуется меньше азотных удобрений. Таким образом, данная научная работа Индийского совета по сельскохозяйственным исследованиям не только приносит пользу фермерам, сокращая потребности в удобрениях и затраты на них, но и способствует достижению более широких целей в области охраны окружающей среды и продовольственной безопасности.
Источник и фото: journals.plos.org.
На фото - фенотипические показатели картофеля сортов Куфри Джиоти и Куфри Пухрадж в режимах высокого N (5 мМ) и низкого N (0,5 мМ) в условиях аэропоники. Стрелка указывает на клубнеобразование у этих сортов картофеля.
