Новые стратегии повышения устойчивости сельскохозяйственных культур к тепловому стрессу

Температура — ключевой фактор окружающей среды, оказывающий значительное влияние на рост, развитие и урожайность растений. С учетом роста населения и развития промышленности, проблема глобального потепления становится все более актуальной. Согласно данным, средняя температура поверхности Земли с конца XIX века увеличилась примерно на 0,9 °C. В период с 2000 по 2020 год средняя максимальная дневная температура была значительно выше, чем в 1980–2000 годах, что указывает на продолжающееся нагревание планеты. Прогнозы показывают, что к 2100 году температура может повыситься на 1,0–5,7 °C, что представляет собой серьезную угрозу для мирового сельского хозяйства.

Влияние высоких температур на урожайность

С 1980 года наблюдается снижение мировых урожаев кукурузы и пшеницы примерно на 4–5% по сравнению со сценариями без изменения климата. Исследования показывают, что с повышением средней температуры на 1 °C глобальная урожайность различных сельскохозяйственных культур снижается следующим образом:

- Пшеница: снижение на 6,0%
- Рис: снижение на 3,2%
- Кукуруза: снижение на 7,4%
- Соя: снижение на 3,1%

При этом ожидается, что к середине XXI века население Земли достигнет 9 миллиардов человек. Для удовлетворения растущего спроса на продукты питания необходимо увеличить производство на 70% к 2050 году. Это создает необходимость в срочном изучении генетических ресурсов, устойчивых к жаре, а также в раскрытии молекулярных механизмов, обеспечивающих эту устойчивость.

Исследования устойчивости к жаре

Большинство исследований реакции растений на высокие температуры проводилось на модельном растении Arabidopsis thaliana. Однако недавние достижения в области селекции сельскохозяйственных культур создают основу для выведения жаростойких сортов. Тем не менее, доступные генетические ресурсы для селекции остаются ограниченными, что требует более глубокого изучения благоприятных природных аллелей.

В данной статье рассматриваются последние исследования о влиянии высокой температуры на основные зерновые культуры, такие как:

- Рис (Oryza sativa)
- Кукуруза (Zea mays)
- Пшеница (Triticum aestivum)

Высокие температуры могут оказывать различное влияние на растения в зависимости от стадии их развития. Основные стадии, на которые следует обратить внимание, включают:

1. Прорастание семян: Высокие температуры могут замедлить или даже остановить прорастание, что влияет на общую продуктивность.

2. Вегетативный рост: Повышенная температура может привести к стрессу, который негативно сказывается на фотосинтетической активности и, как следствие, на росте растений.

3. Цветение: Высокие температуры могут вызывать преждевременное цветение или снижение оплодотворяемости, что также влияет на урожайность.

4. Созревание: На стадии созревания высокие температуры могут привести к ухудшению качества урожая, снижению содержания питательных веществ и увеличению потерь.

Исследования выделяют гены, которые могут играть роль в устойчивости к жаре на различных стадиях развития. Эти гены могут быть потенциальными целями для дальнейших исследований и селекции. К ним относятся:

- Гены, отвечающие за синтез защитных белков, таких как шапероны.
- Гены, регулирующие фотосинтетические процессы и обмен веществ.
- Гены, связанные с реакцией на стресс и защитными механизмами.

Для повышения устойчивости сельскохозяйственных культур к жаре предлагаются следующие подходы:

1. Эффективный скрининг естественных вариаций: Поиск и отбор сортов, обладающих высокой устойчивостью к жаре, с использованием традиционных методов селекции и молекулярных маркеров.

2. Редактирование генома: Применение технологий редактирования генома, таких как CRISPR/Cas9, для создания новых сортов с улучшенными характеристиками устойчивости к жаре.

3. Агрономические практики: Внедрение методов управления полями, таких как изменение сроков посева, использование мульчирования и оптимизация орошения, чтобы минимизировать влияние высоких температур на урожайность.

Исследование: aBIOTECH