Світове скорочення виробництва нуту через посуху диктує потребу у виведенні стійких сортів

Нут є четвертою за величиною вирощуваною бобовою культурою у світі, яка робить значний внесок у продовольчу безпеку, забезпечуючи калорії та дієтичний білок у всьому світі. Проте частота стресу посухи, що зросла, значно скоротила виробництво нуту в останні роки. Дослідники провели польовий експеримент із 36 різними генотипами нуту, щоб оцінити врожайність зерна, фотосинтетичну активність та молекулярні ознаки, пов’язані зі стресом посухи.

Чисельність населення світу збільшується експоненційно, тоді як сільськогосподарський сектор не розширюється з тією самою швидкістю. Існує гостра необхідність збільшення виробництва сільськогосподарських культур задоволення зростаючих потреб у харчуванні.

Попит на воду для сільського господарства до 2050 року може зрости вдвічі, а доступність прісної води скоротиться на 50% через кліматичні коливання, що посилюються. Для досягнення продовольчої безпеки необхідно терміново переглянути інвестиції у розробку високоврожайних культур, стійких до зміни клімату та ефективніших у плані поглинання води, ніж їхні аналоги.

Нут (Cicer arietinum L.) є однією з основних зернобобових культур, зі світовим річним виробництвом близько 15,87 млн ​​тонн з площі приблизно 15,00 млн гектарів. Він має середню врожайність 1,06 тонн/га.

Умови богарного землеробства забезпечують майже 80% виробництва нуту на полях. Однак виробництво нуту в богарних системах стикається зі значними обмеженнями, в першу чергу через стреси від посухи на останніх стадіях зростання (так звана термінальна посуха), що призводить до значних втрат урожаю, в середньому близько 64% ​​в Індії та приблизно 40 –90% у світі залежно від термінів та серйозності водного стресу.

Урожайність насіння нуту значно падає під час термінальної посухи через зниження виробництва стручків, розміру насіння, а також абортування квіток та стручків.

Розробка сортів нуту, які є більш продуктивними в умовах посухи, була успішною протягом останніх кількох десятиліть за допомогою традиційної селекції.

Однак одних цих підходів недостатньо, щоб йти в ногу з майбутнім попитом на продовольство. З цією метою швидка ідентифікація генетичної мінливості, що лежить в основі продуктивності сільськогосподарських культур, може підвищити ефективність селекції та суттєво прискорити покращення стійких культур.

Наприклад, сорти нуту були охарактеризовані за кількісними ознаками, пов’язаними з ознаками, пов’язаними із стійкістю до посухи, включаючи архітектуру кореня, ефективність транспірації та ранню енергію. Але також надзвичайно важливо розуміти біохімічні механізми, які контролюють різні ознаки генетичного поліпшення. Отже, розуміння механізмів реакції нуту на стрес необхідний аналіз біологічно важливих молекул.

Міжнародна дослідницька група під керівництвом Вольфрама Векверта з Віденського університету провела дослідження, в якому 36 різних генотипів нуту оцінювалися на врожайність зерна, фотосинтетичну активність та молекулярні ознаки, пов’язані зі стресом посухи у природних польових умовах. Стрес посухи був ініційований, коли рослини перебували на 50% стадії цвітіння.

Для метаболомного аналізу листова тканина була зібрана в трьох тимчасових точках, що становлять різні стадії наповнення стручків. Вчені визначили L-треонову кислоту, фруктозу та цукрові спирти, що беруть участь в адаптивній реакції нуту на посуху в середині стадії наповнення стручків.

«Індекс сприйнятливості до стресу для кожного генотипу був розрахований для визначення здатності переносити посуху, розподіливши 36 генотипів за чотирма категоріями від найкращої до найгіршої продуктивності. Щоб зрозуміти, як біохімічні механізми контролюють різні ознаки для генетичного поліпшення, ми провели диференціальний аналіз Якобіана, який розкрив взаємодію між різними метаболічними шляхами в трьох часових точках, включаючи більш високий потік у напрямку взаємоперетворень інозитолу, гліколіз для високопродуктивних генотипів, перетворення порушення метаболізму вуглецю та азоту. Метаболічний аналіз GWAS (mGWAS) виявив гени-кандидати, що беруть участь у гліколізі та шляхах MEP, що підтверджується диференціальними біохімічними результатами Якобіана. Відповідно, ця запропонована стратегія аналізу даних усуває розрив між чистою статистичною асоціацією та причинно-наслідковими біохімічними зв’язками, використовуючи природні варіації. Наше дослідження пропонує нові перспективи генетичного та метаболічного розуміння різноманітності, пов’язаного зі стійкістю до посухи, у метаболомі нуту та призвело до виявлення точок метаболічного контролю, які також можна протестувати на інших бобових культурах», розповіли автори роботи у статті, опублікованій у журналі Plant Biotechnology Journal .

«Тривалі періоди посухи стали реальністю в Центральній Європі через зміни клімату і становлять серйозну загрозу для продуктивності рослин, урожаю і, отже, продовольчої безпеки. У той самий час спостерігається зниження використання генетичного розмаїття рослин, а світова продовольча система стає дедалі більш одноманітною. Хоча існує близько 7000 їстівних культур, дві третини світового виробництва продовольства засновані лише на дев’яти видах культур. Ця вузька генетична база може мати низку негативних наслідків, таких як підвищена сприйнятливість рослин до хвороб та шкідників, зниження стійкості до таких факторів, як посуха та зміна клімату, а також підвищена економічна нестабільність», – пояснює молекулярний біолог Векверт.

«Підтримка адекватної рослинної та генетичної різноманітності має вирішальне значення для сільського господарства, яке має адаптуватися до майбутніх змінних умов. Завдяки нашому новому дослідженню ми зробили важливий крок у цьому напрямі та розглянули нут як важливий продукт харчування майбутнього», додав він.

У ході польового експерименту в районі Відня команді вдалося виростити безліч різних сортів нуту в умовах посухи, продемонструвавши, що нут є чудовою альтернативною бобовою рослиною з високим вмістом білка, яка може доповнювати системи землеробства у міських районах.

«Різні сорти та дикі типи демонструють різні механізми боротьби з постійним стресом від посухи. Ця природна генетична мінливість є особливо важливою для того, щоб протистояти зміні клімату та забезпечити виживання рослини», – каже Векверт.

«У нашому дослідженні ми використовували індекс сприйнятливості стресу (SSI) для оцінки впливу стресу посухи на врожайність. Це дозволило нам визначити генотипи, які краще та найгірше працюють у стресових умовах. Наші результати мають вирішальне значення для вибору генотипів для селекції посухостійкого нуту», – зазначив Палак Чатурведі з Віденського університету, провідний автор дослідження.

Він додав, що команда використовувала штучний інтелект, багатовимірну статистику та моделювання для виявлення маркерів та механізмів кращої стійкості до стресу посухи.

«Завдяки високому вмісту білка та стійкості до посухи бобові, такі як нут, є їжею майбутнього. Ще однією перевагою є те, що більш висока частка бобових у сільськогосподарських системах країни підвищує загальну ефективність використання азоту – це також робить сільське господарство стійкішим», – сказав Векверт.

Позначки:нут, посуха