Адаптация с/х культур к окружающей среде в условиях изменения климата

512

В связи с постоянным ростом численности населения Земли происходит постоянное сокращение мировых пахотных земель, обусловленное усилением демографической нагрузки. Антропогенное глобальное потепление оказывает влияние на изменчивость климата, глобальную температуру, биохимическое и питательное состояние почвы, уровень моря. Современная измеренная температура с 1900 года повысилась в среднем на 0,6 ± 0,2 °C и растет быстрее, чем ожидалось. По данным Европейской службы изменения климата Copernicus, лето 2022 г. было самым теплым и самым сухим в Европе и вторым самым теплым в Северном полушарии с момента начала климатологических записей.

Растения испытывают стресс в основном в результате изменений окружающей среды, которые считаются наиболее пагубными факторами, влияющими на с/х производство не только в странах с низким и средним уровнем дохода, но и в низменных районах этих стран. Изменение климата приводит к увеличению содержания углекислого газа в воздухе, а также к повышению температуры окружающей среды . Отдельные стрессоры для растений, вызывающие изменение климата, имеют абиотическую природу, и они вызывают стресс у большинства видов растений. К абиотическим стрессовым факторам для растений относятся, в частности, засуха, засоление, повышенное содержание CO2, температура (низкая и высокая).

Повышенная частота экстремальных явлений, таких как высокая температура, засухи и наводнения, может нанести ущерб сельскохозяйственным культурам и снизить урожайность. Эти явления являются серьезными препятствиями для обеспечения продовольствием и сбалансированной окружающей среды, что заставляет большинство исследователей искать стратегии физиологической и агрономической адаптации растений в этих условиях. Было предложено несколько решений, включая селекцию на засухо- и солеустойчивость, использование биостимуляторов, арбускулярных микоризных грибов или применение наночастиц для усиления реакции на абиотический стресс.

В данной статье собраны 5 оригинальных научных статей из разных стран, которые позволяют получить новое представление о различных стратегиях, которые применяются в разных агроэкосистемах и с разными культурами.

В работе Zeitelhofer и др. проведена оценка физиологических показателей различных генотипов нута (Cicer arietinum L.), отличающихся по устойчивости к тепловому стрессу в фазе цветения. В экспериментальной схеме использовались различные условия холода и тепла (9/4 °C) и (38/33 °C) и четыре генотипа нута в течение 3 дней. Затем измеряли ряд физиологических параметров, таких как флуоресценция хлорофилла, газообмен, пигменты листьев и углеводы. Основные результаты показали, что холодовой стресс снижает максимальную квантовую эффективность фотосистемы II (Fv/Fm) на 5%, чистую скорость фотосинтеза (PN) на 74%, а содержание хлорофилла a + b в среднем на 31% у всех исследуемых генотипов. При холодовом стрессе было обнаружено увеличение количества крахмала до 9 раз, что свидетельствует о сильном накоплении углеводов в нуте в таких условиях. При тепловом стрессе такого накопления не наблюдалось. С другой стороны, нут сохранил свои Fv/Fm и PN, хотя содержание хлорофилла a+b в условиях теплового стресса снизилось в среднем на 30%. Авторы также обнаружили генетическую составляющую. Так взяв по 2 разных сорта нута, которые холодочувствительными, холодоустойчивыми и теплочувствительными и теплоустойчивыми, что дает ученым знания о физиологических реакциях цветущего нута в условиях холодового и теплового стресса. Это поможет выявить генотипы нута, устойчивые к стрессу, чтобы обеспечить высокую урожайность в новых условиях, вызванных антропогенным глобальным потеплением.

В работе Zhu и др. предложено использовать внекорневые подкормки для усиления реакции на абиотический стресс. В частности, авторы исследовали влияние распыления древесного уксуса на физиологию и биохимию (рост, фотосинтез, осмотическое регулирование и антиоксидантные ферменты) проростков рапса, особенно в условиях низкотемпературного стресса. Авторы пришли к выводу, что опрыскивание древесным уксусом может смягчить низкотемпературный стресс за счет повышения активности антиоксидантных ферментов (супероксиддисмутаза увеличилась на 27%) и концентрации осмолитов (содержание пролина и растворимых сахаров увеличилось на 208% и 115% соответственно), снижения стоматальной проводимости (на 9%) и повышения эффективности использования воды (на 83%).

Среди абиотических стрессов засуха оказывает пагубное влияние на продуктивность сельскохозяйственных культур во всем мире, и это касается засушливых и полузасушливых земель, таких как Средиземноморский бассейн и азиатские страны, например Пакистан, в связи с быстрым изменением климата. Засуха нарушает нормальное развитие и рост растений и оказывает серьезное негативное влияние на их выживаемость и продуктивность.

В своей работе Gul и др. в качестве предварительной обработки оросительной воды применяли мелатонин в различных дозах (0, 100 и 200 мкМ), используя в качестве объекта исследования кукурузу. Авторы исследовали биохимические реакции растений, включая реакции антиоксидантов, растительных пигментов, водные характеристики листьев и урожайность. Результаты исследования показали, что содержание Chl a, b, a + b, а также концентрация каротиноидов значительно увеличивались при применении мелатонина в условиях сильной и слабой засухи. После внесения 200 мкМ мелатонина содержание воды в листьях, измеряемое как относительное содержание воды, содержание воды в листьях и относительный дефицит насыщения, увеличилось на 1,9%, 100% и 71,2% при слабой засухе и на 17%, 133% и 32% при сильной засухе. Антиоксидантная активность ферментов POD, CAT и APX значительно повышалась под действием мелатонина во время засухи. Полученные результаты показали, что прикорневое внесение 200 мкМ мелатонина повысило урожайность семян и водную продуктивность на 31% и 38%, а биомасса растений увеличилась на 32% и 29% при слабой и сильной засухе по сравнению с растениями без мелатонина, что привело к повышению устойчивости к засухе.

В связи с растущей демографической нагрузкой повышение урожайности сельскохозяйственных культур является одним из основных требований, которое сдерживается изменением климата. Эффективной стратегией борьбы с этим явлением может стать увеличение плотности посадки, чему посвящена другая статья данного выпуска.

Предыдущие исследования показали, что этилен, вырабатываемый растениями в условиях плотного стояния, является одним из других факторов, влияющих на рост культур и снижающих способность бобовых фиксировать азот (N).

Toukabri и др. выделили штамм Pseudomonas thivervalensis T124 в качестве микроорганизма с высоким уровнем продукции АСС-дезаминазы и оценили его потенциальную способность ослаблять влияние пониженного освещения и экзогенного этилена (в виде предшественника этилена - АСС) на рост и развитие клевера. Эксперименты проводились в контролируемых и полевых условиях на густых посадках клевера и овса. Было обнаружено, что влияние пониженного освещения снижает биомассу корней и побегов клевера, в то время как штамм T124 противодействует этим эффектам, повышая толерантность клевера к затенению. С другой стороны, при совместном использовании со штаммом Rhizobium leguminosarum T618 штамм T124 предотвращал раннее старение клубеньков за счет повышения уровня леггемоглобина и снижения уровня оксида азота в клубеньках. Дополнительным результатом этого исследования стало то, что совместная инокуляция T124 + T618 увеличивала содержание азота в побегах (+24%) больше, чем только T618.

Были обнаружены интересные эффекты в полевых условиях: например, после инокуляцииT124 чистая скорость фотосинтеза и стоматальная проводимость клевера улучшились по сравнению с контролем и инокуляцией T618. После инокуляции T124 у клевера улучшились показатели роста с точки зрения ветвления и килеватости, но, что удивительно, наиболее значительные улучшения произошли при совместной инокуляции двух штаммов. Полученные данные позволяют предположить, что совместная инокуляция R. leguminosarum T618 и P. thivervalensis T124 потенциально уменьшает межвидовую конкуренцию между клевером и овсом за счет снижения уровня АСС (предшественника этилена). Таким образом, мы получили элегантное описание биологической стратегии повышения эффективности промежуточных посевов.

Наконец, мы представляем статью о культуре, имеющей большое значение в Андском регионе и ставшей в последние годы популярной в западных странах: Киноа (Chenopodium quinoa). В связи с тем, что в последние годы культивирование киноа идет быстрыми темпами, а также в связи с большим разнообразием имеющихся сортов, существует мало описаний взаимодействия между различными сортами, что приводит к возникновению агрономических проблем, влияющих на адаптацию сортов и, как следствие, на урожайность.

Для решения этой проблемы García-Parra и др. провели оценку физиологических характеристик семи сортов киноа в трех градиентах высот в центральном регионе Колумбии (холодный, умеренный и теплый климат). Была показана значительная разница между фенологическими, физиологическими и композиционными показателями, в основном между сортами киноа, высаженными в холодном климате, и сортами, выведенными в умеренном и теплом климате. Было установлено, что высотный градиент является основным фактором, определяющим продуктивность сортов культуры. Полученные результаты подтверждают тезис о том, что физиологические показатели киноа в значительной степени зависят от окружающей эдафоклиматической среды, которая влияет на различные агрономические и композиционные параметры семян.

Таким образом, в данную статью, вошли шесть культур (нут, клевер, рапс, овес, кукуруза и киноа), которые позволяют по-новому взглянуть на различные агрономические стратегии (интеркроппинг, биостимуляторы и селекция сортов) с целью повышения урожайности в условиях абиотического стресса, который становится все более актуальным в связи с изменением климата.

Источники:

Hirayama, T.; Shinozaki, K. Research on plant abiotic stress responses in the post-genome era: Past, present and future. Plant J. 2010, 61, 1041–1052.
Mittler, R. Abiotic stress, the field environment and stress combination. Trends Plant Sci. 2006, 51, 659–668.
Chevilly, S.; Dolz-Edo, L.; Martínez-Sánchez, G.; Morcillo, L.; Vilagrosa, A.; López-Nicolás, J.M.; Blanca, J.; Yenush, L.; Mulet, J.M. Distinctive Traits for Drought and Salt Stress Tolerance in Melon (Cucumis melo L.). Front. Plant Sci. 2021, 12, 777060.
Saporta, R.; Bou, C.; Frías, V.; Mulet, J.M. A method for a fast evaluation of the biostimulant potential of different natural extracts for promoting growth or tolerance against abiotic stress. Agronomy 2019, 9, 143.
Porcel, R.; Aroca, R.; Ruiz-Lozano, J.M. Salinity stress alleviation using arbuscular mycorrhizal fungi. A review. Agron. Sustain. Dev. 2012, 32, 181–200.
Ghiyasi, M.; Rezaee Danesh, Y.; Amirnia, R.; Najafi, S.; Mulet, J.M.; Porcel, R. Foliar Applications of ZnO and Its Nanoparticles Increase Safflower (Carthamus tinctorius L.) Growth and Yield under Water Stress. Agronomy 2023, 13, 192.
Zeitelhofer, M.; Zhou, R.; Ottosen, C.-O. Physiological Responses of Chickpea Genotypes to Cold and Heat Stress in Flowering Stage. Agronomy 2022, 12, 2755.
Zhu, K.; Liu, J.; Luo, T.; Zhang, K.; Khan, Z.; Zhou, Y.; Cheng, T.; Yuan, B.; Peng, X.; Hu, L. Wood Vinegar Impact on the Growth and Low-Temperature Tolerance of Rapeseed Seedlings. Agronomy 2022, 12, 2453.
Gul, N.; Haq, Z.U.; Ali, H.; Munsif, F.; Hassan, S.S.u.; Bungau, S. Melatonin Pretreatment Alleviated Inhibitory Effects of Drought Stress by Enhancing Anti-Oxidant Activities and Accumulation of Higher Proline and Plant Pigments and Improving Maize Productivity. Agronomy 2022, 12, 2398.
Toukabri, W.; Ferchichi, N.; Barbouchi, M.; Hlel, D.; Jadlaoui, M.; Bahri, H.; Mhamdi, R.; Cheikh M’hamed, H.; Annabi, M.; Trabelsi, D. Enhancement of Clover (Trifolium alexandrinum L.) Shade Tolerance and Nitrogen Fixation under Dense Stands-Based Cropping Systems. Agronomy 2022, 12, 2332.
García-Parra, M.; Roa-Acosta, D.; Bravo-Gómez, J.E. Effect of the Altitude Gradient on the Physiological Performance of Quinoa in the Central Region of Colombia. Agronomy 2022, 12, 2112.