Nye sanseteknikker kan detektere tørketolerance i gamle afgrøder, kan informere nye avlsprogrammer

Tørke er den mest ødelæggende miljøbelastning, som landmænd står over for på verdensplan. Med det ekstra pres fra klimaændringer er tørkeår blevet mindre forudsigelige, hyppigere og mere alvorlige.

Så ikke alene er vand afgørende for at producere nok mad til at brødføde den globale befolkning – forudsagt at nå 9,7 milliarder mennesker i 2050 – så vi er nødt til at øge afgrødeudbyttet ved at bruge mindre vand.

Nøglen til bæredygtigt landbrug kan ligge i arven fra vilde slægtninge til essentielle afgrøder som hvede og byg. Disse underudnyttede genetiske skatte rummer stresstolerancemekanismer formet af generationer af naturlig udvælgelse under barske miljøer.

Forskere har længe anerkendt vilde slægtninge som en kilde til stresstolerance i genetiske undersøgelser, men de fleste af disse opdagelser sker tilfældigt eller har været sjældne.

Der er så mange forskelle mellem strukturen og fysiologien af ​​kommercielle afgrødesorter og deres vilde slægtninge, at traditionelle screeningsmetoder er utilstrækkelige til at identificere, analysere og integrere vilde afgrøder i forædlingsprogrammer.

Vores forskning, offentliggjort i New Phytologist , etablerer en systematisk tilgang ved hjælp af høj-throughput og ikke-invasive billeddannelsesteknikker til at beslutte, hvilke vilde linjer der har gavnlige egenskaber til afgrødeforbedring og bør overvejes til avl, idet de bevæger sig væk fra tilfældige opdagelser.

Ser ud over det blotte øje

Indtil for nylig var den bedste måde at bestemme afgrødens ydeevne i store markforsøg at plante forskellige afgrødelinjer og evaluere dem baseret på deres udseende og hvor meget korn de producerede.

Men vilde slægtninge har en tendens til at tabe deres frø, når de er helt modne, hvilket gør det svært at bedømme dem ud fra deres kornudbytte, så opdrættere tænker sig ofte om to gange, før de arbejder med dem.

Innovative fjernmålingsteknologier ændrer nu, hvordan vi beskriver afgrødeydelse. Det er som at se ud over, hvad det blotte øje kan fange for at registrere signaler fra de mange lysbølger, planter reflekterer fra sollys eller udsender som fluorescens eller varme.

Som en form for stråling udsendes varme ved bølgelængder ud over, hvad mennesker kan se, men kan måles ved hjælp af termiske detektorer.

Reflekteret sollys giver et væld af oplysninger om, hvor effektivt planter fotosyntetiserer; ved hjælp af sollys, kuldioxid og vand til at producere ilt og energi i form af sukker. Dette kan måles nøjagtigt ved hjælp af hyperspektrale billedsensorer, der indsamler og behandler information fra hele det elektromagnetiske spektrum i hundreder eller tusinder af smalle spektralbånd.

Selvom det allerede er populært at bruge fjernmåling til at studere planteegenskaber, øger vi det ved at dykke ned i, hvor effektivt afgrøden bruger vand, og kombinere denne information med hyperspektrale og termiske billedteknologier.

At forstå de mekanismer, som gamle afgrøder bruger til at reagere på temperaturudsving, vil hjælpe os med at afdække uudforskede muligheder for planteavl og gøre vores forskning mere målrettet.

I sidste ende er målet at udvikle nye kommercielle sorter fra de miljøtilpassede vilde linjer, der åbner en vej for bæredygtigt landbrug ved at overvinde den nuværende barriere for at bestemme, hvilke vilde linjer der har uudnyttede tørke-adaptive egenskaber.

Dette er ofte vanskeligt at bestemme, fordi de ønskede egenskaber kan være forskellige afhængigt af avlsmålet og dyrkningsstedet.

Trække vejret og drikke gennem det samme sugerør

Planter mister vand gennem en proces kendt som transpiration, som sker via stomata, de samme passager, som tillader kuldioxid at trænge ind i bladoverfladen.

At bruge den samme ind- og udgang betyder, at der er en uundgåelig afvejning mellem at spare på vand og at få nok kulstof til at producere sunde korn via fotosyntese.

Så vores screeningsteknik omfavner denne afvejning for at lede efter planter, der er i stand til at udholde længere perioder med vandmangel, men alligevel kan genoptage sund vækst, når de er blevet rehydreret.

Ligesom i "Dune", hvor folk har tilpasset sig meget tørre forhold, har planter fra ørkenmiljøer udviklet deres egne måder at håndtere tørre forhold på.

Hvis vi tænker på menneskelig svedtendens som plantetranspiration, har planter, der er veltilpasset til tørre forhold, udviklet flere mekanismer, der gør det muligt for dem at "svede" mindre og spare vand under tørke, men alligevel forblive mindre stressede og sunde.

Vi bruger data indsamlet fra hyperspektrale og termiske fjernmålingsteknikker til at skabe et billedbaseret transpirationseffektivitetsindeks (iTE), en parameter for planteavl, som er relativt let at fortolke.

Ved hjælp af iTE kan vi derefter identificere de veltilpassede linjer, der viser en så effektiv brug af vand under tørkeforhold og stadig kan opretholde deres kapacitet til at genoptage væksten.

To fluer med et smæk

Selvom vi udviklede iTE med vilde populationer i tankerne, kunne dets anvendelse også strække sig til dyrkede kommercielle afgrøder.

Overgang fra traditionelle udvælgelsesmetoder, der udelukkende fokuserer på udbyttepræstationer for kultivarudvælgelse, kunne iTE-indekset integreres med klassiske tolerancemålinger for at træffe mere omfattende og informerede beslutninger om de bedste vilde linjer til avl.

I samarbejde med Institute for Sustainable Agriculture i Spanien, IAS-CSIC, opdagede vi en stærk sammenhæng mellem en positiv ændring i iTE under tørkeforhold i forhold til en godt vandet kontrol, og udbyttestabilitet i kommercielle hvedesorter; jo større stigning i iTE, jo færre udbyttetab.

Udbyttestabilitet angiver, hvor godt en afgrøde holder sit kornudbytte under tørke sammenlignet med normale, godt vandede forhold. Men der er forskellige grunde til, at nogle afgrøder holder sig bedre under tørke.

For eksempel kan nogle planter fortsætte med at fotosyntese effektivt, som vores forskning antyder, mens andre kan have dybere rødder, der får adgang til vand langt under overfladen.

Sidstnævnte kan dukke op som køligere baldakiner i termiske billeder, fordi de er i stand til at trække mere vand op, hvilket tillader planten at fortsætte med at transpirere og reducerer deres temperatur.

Det er svært at bekræfte fra et feltforsøg, om denne transpiration skyldes dybe rødder, eller om disse planter blot holder deres porer (stomata) åbne, uanset vandmangel. Vores forskning nedbryder denne kompleksitet for at forstå præcist, hvordan afgrøder opnår udbyttestabilitet.

Ved at forstå de specifikke måder, hvorpå planter opretholder udbyttet i slutningen af ​​sæsonen, kan vi udnytte den underliggende genetik mere effektivt.

Afgrøder for fremtiden

Når vi har identificeret lovende vilde linjer, vil næste skridt være at modificere dem, så de passer til standard landbrugspraksis gennem en proces kendt som de novo domesticering.

Denne metode fremskynder den proces, mennesker har brugt i tusinder af år til at udvælge og avle bedre afgrøder. I stedet for at vente generationer bruger vi avancerede forædlingsteknikker til hurtigt at tilføje de gode egenskaber, der er almindelige i tamme afgrøder, direkte ind i de vilde, stress-tolerante planter.

Disse ikke-transgene avlsmodifikationer producerer afgrøder, der er nemmere at dyrke ved brug af standard forvaltningspraksis.

Ved at bruge hyperspektral fjernmåling til at identificere gode kandidat-vilde linjer og de novo domesticering for at gøre dem tilgængelige og ønskværdige for avlere, kan vi revolutionere afgrødeudviklingen og tilpasse planter til det skiftende klima for at imødekomme den voksende globale fødevareefterspørgsel.

Flere oplysninger: Luis M. Guadarrama-Escobar et al., Tilbage til fremtiden for tørketolerance, New Phytologist (2024). DOI:10.1111/nph.19619

Journaloplysninger: Ny fytolog

Leveret af University of Melbourne