Мировое сокращение производства нута по причине засухи диктует потребность в выведении устойчивых сортов

Нут является четвертой по величине выращиваемой бобовой культурой в мире, которая вносит значительный вклад в продовольственную безопасность, обеспечивая калории и диетический белок во всем мире. Однако возросшая частота стресса засухи значительно сократила производство нута в последние годы. Исследователи провели полевой эксперимент с 36 различными генотипами нута, чтобы оценить урожайность зерна, фотосинтетическую активность и молекулярные признаки, связанные со стрессом засухи.

Численность населения мира увеличивается экспоненциально, в то время как сельскохозяйственный сектор не расширяется с той же скоростью. Существует острая необходимость в увеличении производства сельскохозяйственных культур для удовлетворения растущих потребностей в питании. 

Спрос на воду для сельского хозяйства к 2050 году может возрасти в два раза, а доступность пресной воды сократится на 50% из-за усиливающихся климатических колебаний. Для достижения продовольственной безопасности необходимо срочно пересмотреть инвестиции в разработку высокоурожайных культур, устойчивых к изменению климата и более эффективных в плане поглощения воды, чем их существующие аналоги.

Нут (Cicer arietinum L.) является одной из основных зернобобовых культур, с мировым годовым производством около 15,87 млн ​​тонн с площади примерно в 15,00 млн гектаров. Он обладает средней урожайностью 1,06 тонн/га.

Условия богарного земледелия обеспечивают почти 80% производства нута на полях. Однако производство нута в богарных системах сталкивается со значительными ограничениями, в первую очередь из-за стресса от засухи на последних стадиях роста (так называемая терминальная засуха), что приводит к значительным потерям урожая, в среднем около 64% ​​в Индии и примерно 40–90% в мире в зависимости от сроков и серьезности водного стресса.

Урожайность семян нута значительно падает во время терминальной засухи из-за снижения производства стручков, размера семян, а также абортирования цветков и стручков.

Разработка сортов нута, которые более продуктивны в условиях засухи, была успешной в течение последних нескольких десятилетий с помощью традиционной селекции.

Однако одних этих подходов недостаточно, чтобы идти в ногу с будущим спросом на продовольствие. С этой целью быстрая идентификация генетической изменчивости, лежащей в основе производительности сельскохозяйственных культур, может повысить эффективность селекции и существенно ускорить улучшение устойчивых культур.

Например, сорта нута были охарактеризованы по количественным признакам, связанным с признаками, связанными с устойчивостью к засухе, включая архитектуру корня, эффективность транспирации и раннюю энергию. Но также чрезвычайно важно понимать биохимические механизмы, контролирующие различные признаки для генетического улучшения. Следовательно, для понимания механизмов реакции нута на стресс необходим анализ биологически важных молекул.

Международная исследовательская группа под руководством Вольфрама Векверта из Венского университета провела исследование, в котором 36 различных генотипов нута оценивались на урожайность зерна, фотосинтетическую активность и молекулярные признаки, связанные со стрессом засухи в естественных полевых условиях. Стресс засухи был инициирован, когда растения находились на 50% стадии цветения.

Для метаболомного анализа листовая ткань была собрана в трех временных точках, представляющих различные стадии наполнения стручков. Ученые определили L-треоновую кислоту, фруктозу и сахарные спирты, участвующие в адаптивной реакции нута на засуху в середине стадии наполнения стручков. 

«Индекс восприимчивости к стрессу для каждого генотипа был рассчитан для определения способности переносить засуху, распределив 36 генотипов по четырем категориям от наилучшей до наихудшей производительности. Чтобы понять, как биохимические механизмы контролируют различные признаки для генетического улучшения, мы провели дифференциальный анализ Якобиана, который раскрыл взаимодействие между различными метаболическими путями в трех временных точках, включая более высокий поток в направлении взаимопревращений инозитола, гликолиз для высокопроизводительных генотипов, преобразование фумарата в малат и нарушения метаболизма углерода и азота. Метаболический анализ GWAS (mGWAS) выявил гены-кандидаты, участвующие в гликолизе и пути MEP, что подтверждается дифференциальными биохимическими результатами Якобиана. Соответственно, эта предлагаемая стратегия анализа данных устраняет разрыв между чистой статистической ассоциацией и причинно-следственными биохимическими связями, используя естественные вариации. Наше исследование предлагает новые перспективы генетического и метаболического понимания разнообразия, связанного с устойчивостью к засухе, в метаболоме нута и привело к выявлению точек метаболического контроля, которые также можно протестировать на других бобовых культурах», рассказали авторы работы в статье, опубликованной в журнале Plant Biotechnology Journal .

«Длительные периоды засухи стали реальностью в Центральной Европе из-за изменения климата и представляют серьезную угрозу для продуктивности растений, урожая и, следовательно, продовольственной безопасности. В то же время наблюдается снижение использования генетического разнообразия растений, а мировая продовольственная система становится все более и более единообразной. Хотя существует около 7000 съедобных культур, две трети мирового производства продовольствия основаны всего на девяти видах культур. Эта узкая генетическая база может иметь ряд негативных последствий, таких как повышенная восприимчивость растений к болезням и вредителям, снижение устойчивости к таким факторам, как засуха и изменение климата, а также повышенная экономическая нестабильность», - объясняет молекулярный биолог Векверт.

«Поддержание адекватного растительного и генетического разнообразия имеет решающее значение для сельского хозяйства, которое должно адаптироваться к будущим меняющимся условиям. Благодаря нашему новому исследованию мы сделали важный шаг в этом направлении и рассмотрели нут как важный продукт питания будущего», добавил он.

В ходе полевого эксперимента в районе Вены команде удалось вырастить множество различных сортов нута в условиях засухи, продемонстрировав, что нут является прекрасным альтернативным бобовым растением с высоким содержанием белка, которое может дополнять системы земледелия в городских районах.

«Различные сорта и дикие типы демонстрируют совершенно разные механизмы борьбы с постоянным стрессом от засухи. Эта естественная генетическая изменчивость особенно важна для того, чтобы противостоять изменению климата и обеспечить выживание растения», - говорит Векверт.

«В нашем исследовании мы использовали индекс восприимчивости к стрессу (SSI) для оценки влияния стресса засухи на урожайность. Это позволило нам определить генотипы, которые лучше и хуже всего работают в стрессовых условиях. Наши результаты имеют решающее значение для выбора генотипов для селекции засухоустойчивого нута», - отметил Палак Чатурведи из Венского университета, ведущий автор исследования. 

Он добавил, что команда использовала искусственный интеллект, многомерную статистику и моделирование для выявления маркеров и механизмов лучшей устойчивости к стрессу засухи.

«Благодаря высокому содержанию белка и устойчивости к засухе бобовые, такие как нут, являются пищей будущего. Еще одним преимуществом является то, что более высокая доля бобовых в сельскохозяйственных системах страны повышает общую эффективность использования азота - это также делает сельское хозяйство более устойчивым», - заключил Векверт.