Пиер Стратонович, Михаил А. Семенов, Топлинната толерантност около цъфтежа на пшеницата, определена като ключова черта за повишен потенциал за добив в Европа при климатични промени, Journal of Experimental Botany, том 66, брой 12, юни 2015 г., страници 3599–3609, https: //doi.org/10.1093/jxb/erv070

топлоустойчивостта

Резюме

Въведение

Необходимо е значително увеличение на световните доставки на храни от 70–100%, за да се изхранват приблизително 9 милиарда души до 2050 г. (Godfray et al., 2010). Поради ограничените възможности за разширяване на съществуващите площи за отглеждане на култури, е необходимо значително увеличение на продуктивността на културите, за да се гарантира бъдеща продоволствена сигурност (Parry et al., 2011; Reynolds et al., 2011). Добивът на пшеница се е увеличил значително през последния век, главно поради генетични подобрения, по-високи нива на оплождане и подобрено управление на вредителите и болестите (Semenov et al., 2012). В Обединеното кралство например средният добив на пшеница се е удвоил от 60-те години на миналия век, от 4 t ha -1 до 8 t ha ha1. Въпреки това пшеничните култури са силно чувствителни към екологични и климатични промени (Портър и Семенов, 2005). През последните две десетилетия напредъкът в генетиката на пшеницата вече беше частично компенсиран от промени в европейския климат (Brisson et al., 2010; Lobell et al., 2011). Следователно глобалното затопляне, характеризиращо се с промяна на местните модели на времето и увеличаване на честотата на екстремни събития, представлява голямо предизвикателство за животновъдите при увеличаване на потенциала за добив (Semenov et al., 2014). Изисква се мултидисциплинарен подход, за да се разбере как растенията реагират на абиотични стресове и след това да се приложат тези знания в контекста на изменението на климата (Reynolds et al., 2011; Zheng et al., 2012; Martre et al., 2015).

Доказано е, че пшеницата е особено чувствителна към екстремни студени и горещи температури по време на репродуктивния етап (Saini et al., 1983; Marcellos and Single, 1984; Alghabari et al., 2014; Vara Prasad and Djanaguiraman, 2014). С глобалното затопляне се очаква в Европа да се увеличи честотата на високите температури, възникващи около синтеза (Semenov and Shewry, 2011). От друга страна, проучване за моделиране показа, че по-високите температури в Австралия също могат да увеличат риска от увреждане от замръзване в пшеничните култури чрез ускоряване на развитието на растенията, така че синтезата да съвпада с късните студове (Fuller et al., 2007). За да се определи количествено как екстремните температури, ниски или високи, могат да повлияят на загубите на добив при климатични промени, реакциите на пшеница на замръзване и висока температура около синтеза и пълненето на зърното са включени в симулационния модел на реколтата на Сириус (Jamieson et al., 1998b; Semenov and Shewry, 2011; Semenov et al., 2014). Sirius е добре валидиран модел и успя да симулира точно растежа на пшеницата и добивите на зърно в широк спектър от среди, включително Европа, САЩ, Нова Зеландия и Австралия, и в експерименти, имитиращи условията на климатичните промени, напр. Експерименти с обогатяване с въглероден диоксид (FACE) (Jamieson and Semenov, 2000; Ewert et al., 2002; Martre et al., 2006; Lawless et al., 2008; He et al., 2012; Asseng et al., 2013).

Целите на нашето проучване бяха да се оцени потенциалът за добив на пшеница и въздействието на топлинния стрес при изменението на климата в Европа, като се използват най-новите прогнози от ансамбъла CMIP5 на глобалните климатични модели (Stocker et al., 2013). Рафинираният модел на Sirius е използван за избор на оптимална комбинация от признаци на топлоустойчиви (HT) или чувствителни към топлина (HS) идеотипи на пшеница в шест европейски обекта с разнообразен климат. Използвани са два експериментални набора от данни за характеризиране на HT и HS реакциите на високите температури в пшеницата. Първо, в експеримента с горещи серийни зърнени култури (HSC) добивите от зърнени култури на пролетния сорт „Yecora Rojo“, който се засява на редовни интервали в продължение на 2 години, бяха силно засегнати от екстремно ниски и високи температури (Wall et al., 2011; White et al., 2011; Ottman et al., 2012). Това ни позволи да характеризираме ефекта от високата температура върху ускореното стареене на листата по време на пълненето на зърното, засягайки както HT, така и HS идеотипите на нашето изследване. Във втория независим експеримент високочувствителният на топлина сорт „Китайска пролет“ (Qin et al., 2008) е отглеждан в контролирана среда и е бил подложен на различни температурни обработки от зареждане до зрялост (Vara Prasad and Djanaguiraman, 2014). Параметрите, получени в този експеримент, бяха използвани за описване на намаляването на броя на зърната и потенциалното тегло на зърното, засягащо само HS идеотипите в нашето проучване.

Рафинираната версия на Sirius беше използвана, с включените реакции на екстремни температури, за оптимизиране на HT и HS идеотипите на всеки сайт. Идеотипът на пшеницата беше определен като набор от осем параметри на сорта, които контролират фенологията на пшеницата, архитектурата на навеса, стареенето на листата, реакциите на водния стрес и поемането на водата в корена. Чрез промяна на тези параметри растежът и развитието на пшеницата се променят в отговор на климатичните и екологични промени и беше възможно да се изберат идеотипове с по-добри резултати при бъдещ климат и среда. Важността на толерантността към висока температура, възникваща по време на цъфтежа и пълненето на зърното, беше оценена чрез сравняване на HT с идеотипове на HS, оптимизирани на място. Тъй като параметрите, свързани с толерантността към топлина, не са оптимизирани, може да се очаква, че на южните места фенологията на HS идеотипите ще бъде силно повлияна от появата на високи температури. От друга страна, HT идеотипите могат да удължат вегетационния сезон без санкции за добив. Това позволи директно да се определят количествено загубите на добив в резултат на ефекти от топлинен стрес, например намаляването на броя на зърнените култури и, косвено, например намаляването на добива поради ранния цъфтеж за HS идеотипите.

Включване на екстремни температурни реакции в Сириус

Ускорено стареене на листата в отговор на високи температури

При пшеницата високите температури, по-високи от 34 ° C, ускоряват стареенето на листата, което оказва значително влияние върху добива на зърно (Wardlaw and Moncur, 1995). Ранното стареене намалява общото количество светлина, прихваната от посева, като съкращава продължителността на пълненето на зърното (Porter and Gawith, 1999; Asseng et al., 2011). Използван е подход за ускорено стареене на листата, базиран на максимална температура на навеса, подобно на Asseng et al. (2011).