Виявлена нещодавно генотипна ознака допомагає корінню рости значно глибше в ущільнених ґрунтах в умовах посухи, — дослідження
Підготував SuperAgronom.com за матеріалами News.psu.edu.
На думку американських дослідників, раніше невідома властивість коренів дає змогу деяким злаковим культурам проникати глибше, пробиваючи сухі, тверді, ущільнені ґрунти. Відповідно, ця особливість допомагає краще адаптуватися до кліматичних змін.
«Це відкриття важливе для американського та світового сільського господарства, оскільки така властивість допомагає кукурудзі, пшениці та ячменю пустити коріння глибше, що важливо для стійкості до посухи, ефективності споживання азоту та секвенування вуглецю. Селекція за цією ознакою має бути фактором у розробці нових культур для пом'якшення наслідків зміни клімату», — каже професор-рослинознавець Джонатан Лінч.
Фенотип, який вчені назвали багатошаровою кортикальною склеренхімою, (або MCS — від англ. multiseriate cortical sclerenchyma), характеризується скупченням, шаром невеликих клітин із товстими стінками безпосередньо під епітелієм коренів. Їх добре видно на Рисунку 1 у порівнянні з корінням «звичайної» рослини, яка не має такої ознаки (знімки зроблені вченими за допомогою лазерної абляційної томографії). Коріння з MCS мають більшу концентрацію лігніну — органічного полімеру, який зумовлює міцність.
Чим більша кількість лігніну міститься в коренях, у яких наявна MCS, тим вища їх міцність при розтягуванні та вища гнучкість порівняно з тими, у яких MCS відсутня. Додаткова міцність допомагає корінню проникати у тверді шари ґрунту.
Науковці опублікували результати своїх польових досліджень. Вони свідчать, що в ущільнених ґрунтах кореневі системи рослин кукурудзи, які серед генотипних ознак мали MCS, були довшими на 22%, а біомаса надземної їхньої частини більша 39% порівняно з рослинами без MCS. В ущільненому ґрунті зменшується пористість, стримується проникнення води, знижується аерацію та обмежується ріст коренів, що створює фізичні перешкоди.
«Ущільнені шари ґрунту погіршують урожайність, обмежуючи ріст та розгалуження коренів у глибших шарах ґрунту, що, в свою чергу, обмежує доступ до поживних речовин та води. Рослини з корінням, які здатні глибше проникати в твердий ґрунт та витягувати звідти «їжу», відповідно вони мають більші переваги щодо отриманні вологи та поживних речовин, і зрештою краще справляються з посухою або низькою родючістю грунту», — зазначає провідний дослідник Ханна Шнайдер, постдокторант наукової групи професора Лінча в Коледжі сільськогосподарських наук.
Дослідження включало польові та тепличні досліди — для оцінки здатності проникнення коренів в ущільнені ґрунти.
Вчені провели два польові експерименти для вивчення росту коренів. Один у Дослідницькому центрі коріння Апаше (англ. Apache Root Biology Center) у місті Вілкокс, штат Арізона, а другий — у Дослідницькому центрі сільського господарства Рассела Е. Ларсона (англ. Russell E. Larson Agricultural Research Center) в Рок-Спрінгсі, штат Пенсільванія. В обох випадках вчені вирощували 6 генотипів кукурудзи, що відрізняються за вмістом лігніну в коренях. Кожен експеримент включав ущільнені та неущільнені ґрунти. Щойно кукурудза зацвіла, ґрунт навколо рослин обробили спеціальним засобом для подальшої оцінки росту коренів. А коріння двох рослин викопали та вивчили, а також зібрали надземну біомасу.
У теплиці в кампусі Юніверсіті-парк провели експеримент із 12 генотипами пшениці та 6 генотипами кукурудзи. Їх висіяли у великі контейнери з ущільненим ґрунтом, щоб визначити, яке коріння проникає у твердий субстрат. Упродовж місяця вегетації цих рослин у них відбирали сегменти коренів кожного з генотипів, вимірювали та визначали граничну міцність при розтягуванні та силу згинання кінчика кореня.
Під час дослідження використовували лазерну абляційну томографію. До слова, у 2011 році дослідницька група професора Лінча розробила унікальну технологію для кореневого аналізу. Вчені, які використовують LAT, можуть вимірювати спектри світла, випромінювані різними клітинами, за допомогою лазера, що візуально відокремлює різні тканини одна від одної. Дослідники обстежили кожну рослину, в якій були виявлені генетичні варіації MCS, і їхня спадковість була відносно високою. Тому вони припустили, що ця ознака може бути застосована в селекційних програмах. Серед використаних у цьому дослідженні сучасних сортів та гібридів кукурудзи, пшениці та ячменю MCS був присутній у 30-50% з них.
На думку Ханни Шнайдер, вирощування культур кукурудзи з корінням, що проникає у глибші шари ґрунту, де міститься більше вологи, дасть змогу отримувати кращі врожаї та стане величезною перевагою для регіонів, у яких населення відчуває нестачу продовольства. А особливо це рішення актуальне в умовах зміни клімату та посух.
«Зараз ми спостерігаємо MCS у кукурудзи, пшениці, ячменю та інших зернових культурах, але ми прогнозуємо, що багато переваг MCS будуть аналогічними і для інших культур», - ділиться професорка.
MCS може бути характерною особливістю стійкості до стресу та збільшення врожайності зернових культур.
Коріння кукурудзи у теплиці. Вчені відібрали сегменти коренів кожного з генотипів кукурудзи, виміряли та перевірили на граничну міцність при розтягуванні та силу згинання кінчика кореня.
Автор: Джефф Малхоллем, джерело: PennState News, фото: Ханна Шнайдер