Редко в природе меньшее оборачивается большим. Но это тот случай, когда речь заходит о корнях кукурузы, которые справляются с засухой, согласно международной группе исследователей под руководством штата Пенсильвания, которые в новом исследовании обнаружили доказательства преимуществ фенотипа "бережливых" корней.

По словам ведущего автора исследования Джонатана Линча, заслуженного профессора растениеводства Колледжа сельскохозяйственных наук, Parsimonius, определяемый как "нежелающий использовать ресурсы; скупой или бережливый", является идеальным описанием генетически детерминированных черт, которые позволяют растениям достигать улучшенного вегетативного роста. Стратегия бережливого укоренения, отметил он, заключается в том, что растения развивают "крутые, дешевые и глубокие корни".

"Крутой" относится к архитектурным особенностям, таким как угол роста, который заставляет корни направляться вниз под более острым углом, добывая пищу глубже, чтобы получить дефицитные водные и питательные ресурсы. "Дешево" относится к метаболическим затратам для растения кукурузы и включает такие характеристики, как образование меньшего количества корней и образование корней с внутренними воздушными пространствами (аэренхимой) для уменьшения количества живых клеток.

Линч объяснил, что растения, выражающие фенотип бережливых корней, на самом деле выращивают меньше корней. Это гарантирует, что те немногие корни, которые образуются, имеют достаточные ресурсы для роста глубоко в почву, что особенно важно в условиях засухи. Отсюда и дешевая, крутая и глубокая характеристика.

В качестве дополнительного бонуса фенотип бережливых корней позволяет растениям накапливать или изолировать больше атмосферного углерода глубже в почве, где он будет оставаться в течение длительного периода, отметил Линч.

"Это важное соображение, поскольку ожидается, что изменение климата увеличит частоту и тяжесть стресса от засухи в будущем", - сказал он. "Мы считаем, что сельскохозяйственные культуры можно сделать более устойчивыми к засухе и лучше улавливать атмосферный углерод в почве, если селекционеры выберут соответствующие фенотипы корней".

Чтобы проверить свои гипотезы, исследователи использовали функционально-структурную имитационную модель растений и почвы с открытым исходным кодом под названием OpenSimRoot - мощный инструмент, разработанный в Пенсильванском университете за последние три десятилетия, — который позволил им явно моделировать геометрию корней и свойства почвы в трех измерениях с течением времени.

В ходе исследования исследователи протестировали возможности нескольких вариантов крутого, дешевого и глубокого идеотипа по сравнению с эталонным корневым фенотипом кукурузы в условиях дождей и засухи в трех различных средах производства кукурузы. Чтобы точно имитировать агросистему неорошаемой кукурузы, были использованы фактические данные о почве и климате для трех различных мест выращивания кукурузы: округ Бун, Айова, США; Зария Кадуна, Нигерия; и Тепатитлан, Халиско, Мексика.

В результатах, недавно опубликованных в журнале Frontiers in Plant Science, исследователи сообщили, что во всех средах, где растения подвергаются стрессу от засухи, крутой, дешевый и глубокий фенотип приводит к увеличению биомассы побегов после 42 дней роста. В качестве дополнительного преимущества они обнаружили, что количество углерода, отложившегося в почве ниже двух футов, в два раза больше для фенотипа крутых, дешевых и глубоких склонов, чем для эталонного фенотипа в пяти из шести моделируемых сред.

В условиях имитируемой засухи фенотипы крутого, дешевого и глубокого действия отличались от эталонного фенотипа несколькими важными способами, которые могли бы повысить производительность и выживаемость растения. Фенотипы "крутые, дешевые и глубокие" дали примерно половину числа мелких осевых корней; углы всех корней были в среднем на 20 градусов круче по сравнению с контрольными фенотипами; плотность бокового разветвления корней (показатель засухоустойчивости, при котором чем ниже, тем лучше) была снижена на 50%; а объем аэренхимы (ткани корня, содержащие расширенные газовые пространства для транспортировки воды и питательных веществ) был увеличен с 20% до 40%.

Поскольку кукуруза является основной культурой в США и важной культурой продовольственной безопасности в Африке и Латинской Америке, а также потому, что засуха уже является серьезным ограничением мирового производства сельскохозяйственных культур и усиливается в результате глобального изменения климата, результаты этого исследования важны, предположил Линч, добавив, что полученные результаты указывают путь к созданию более устойчивых культур.

"Мы считаем, что рост урожая и глубокое поглощение углерода почвой можно улучшить, выведя растения кукурузы с меньшим количеством осевых корней, уменьшенной плотностью бокового разветвления корней и большим образованием аэренхимы", - сказал Линч. "Это исследование дало информацию, которую селекционеры кукурузы могут использовать для повышения засухоустойчивости, выбирая растения с фенотипом дешевых, крутых и глубоких корней, с меньшим количеством настоящих корней".