Опубликовано через 2 часа

Понимание биологических часов растений может способствовать развитию сельского хозяйства в будущем

У растений тоже есть свои циклы, и знание их может помочь снизить потребление воды, удобрений и гербицидов.

Все мы испытывали дискомфорт от того, что наш циркадный ритм немного изменился по сравнению с привычным — возможно, после особенно поздней ночи или перелета в новый часовой пояс. И все мы знаем, что требуется некоторое время, чтобы вернуться к нормальному режиму сна, питания и даже мочеиспускания.

Но люди — не единственные живые существа, у которых есть внутренние биологические часы — они есть и у растений. И понимание их ритмов может сделать наши продовольственные системы более устойчивыми и продуктивными в долгосрочной перспективе, согласно новому исследованию британских и бельгийских ученых . По мере изменения климата, роста населения и необходимости в более устойчивых и экологически чистых продуктах питания , переосмысление принципов работы сельского хозяйства имеет решающее значение для устойчивого мира, свободного от голода.

Авторы утверждают, что сейчас настало время активизировать исследования, которые позволят превратить уже имеющиеся знания о циркадных ритмах растений в простой, доступный и эффективный способ повышения урожайности и обеспечения устойчивости фермерских хозяйств по всему миру.

Исследования показали, что клеточные часы растений могут контролировать экспрессию почти 30 процентов генов растения . Это означает, что чем больше мы узнаем об их внутренних циклах, тем больше вероятность того, что мы сможем использовать это для повышения урожайности, сокращения использования пестицидов и повышения устойчивости некоторых культур к изменению климата.

Что касается циркадного ритма человека, то большая часть его калибровки происходит в тысячах клеток нашего мозга, говорит ведущий автор исследования и биолог растений из Кембриджского университета Алекс Уэбб. Но, конечно, у растений нет мозга, так сказать, поэтому каждая их клетка имеет индивидуальные часы, которые контролируют, когда открывать устьица для поглощения углекислого газа, когда запускать фотосинтетический аппарат и когда закрывать его после захода солнца.

Ещё в 1700-х годах учёные отмечали, как растения двигают своими листьями в 24-часовом цикле, даже находясь под воздействием источника света весь день . «Это было первое доказательство того, что это свободно работающие часы у любого организма», — говорит Уэбб. Сегодня исследователи могут определять продолжительность циркадного ритма, используя такие методы, как отложенная флуоресцентная микроскопия, чтобы изучать внутренние часы практически любого растения, включая такие культуры, как пшеница.

В последние несколько десятилетий проводится все больше исследований, посвященных изучению того, как циркадный ритм растений влияет на такие параметры, как их размер, фотосинтез, а также на синтез и использование сахаров. Все это, а также борьба с холодной погодой и вредителями, сводится к нескольким генам, общим для основных видов растений.

Еще до того, как мы полностью поняли, что происходит с циркадными ритмами растений, мы уже в некоторых случаях случайно их перестраивали. Например, в случае с помидорами, фермеры в Северной Америке , возможно, случайно вывели сорта с немного более медленным циркадным ритмом, чем у помидоров на их исконных южноамериканских родинах. Поэтому, если сельское хозяйство смогло выяснить это методом проб и ошибок, то сегодня, учитывая достижения науки, существует гораздо больше возможностей для использования этих внутренних часов.

«Последние 25 лет в этой области были посвящены фундаментальной биологии, и сейчас мы находимся на этапе, когда понимаем биологию основных сельскохозяйственных культур», — говорит Уэбб.

В то время как люди более или менее поняли, каким должен быть наш режим сна, для растений это не так просто. Будь то сансевиерия на вашем столе или ферма, полная пшеничных полей, зачастую, когда мы поливаем эти растения, мы больше ориентируемся на то, что подходит нам, чем на то, что действительно нужно и чего хотят наши растения.

«Знание того, какие процессы контролируются в растении, окажет огромное влияние на то, когда фермеры будут проводить те или иные обработки своих культур», — говорит Ханна Рис, исследовательница циркадной биологии из Института Эрлхэма в Англии.

В одном исследовании, опубликованном в 2019 году , Энтони Додд, биолог-растениевод из Центра Джона Иннеса, и его соавторы обнаружили, что при применении гербицидов в соответствии с циркадным ритмом растения Arabidopsis thaliana более чувствительны к гербицидам утром, а это значит, что даже небольшое количество препарата может оказать значительное воздействие в этот период времени.

«Мы подумали, что, понимая, как биологические часы влияют на реакцию растений, мы сможем сократить количество распыляемых на них химикатов, что позволит фермерам сэкономить деньги и время, — говорит Додд. — Это также уменьшит количество химикатов, попадающих в окружающую среду».

Если задуматься, это вполне логично. Применение гербицида утром, когда растение уже готовится защититься от голодных утренних вредителей на рассвете , может быть гораздо эффективнее, чем применение его ночью, когда эти же вредители могут представлять не такую уж большую проблему.

Теоретически, добавляет Уэбб, исследователи могли бы проводить подобные исследования практически для любой культуры и ее потребностей — в воде, удобрениях и так далее — чтобы точно определить, сколько каждого из них необходимо применять. А в мире, где 70 процентов пресной воды используется в сельском хозяйстве , а чрезмерное использование удобрений и пестицидов наносит серьезный вред окружающей среде , сокращение использования этих ресурсов может иметь решающее значение для повышения устойчивости.

По словам Уэбба, распространение вертикального земледелия также позволяет производителям более точно регулировать, когда, где и насколько сильно нужно изменять условия выращивания культур. Подобно тому, как мы случайно вывели сорта помидоров с более медленными циркадными ритмами, понимание вариаций в циркадных ритмах растений может помочь им расти на разных высотах, в разном климате и даже в специализированных закрытых помещениях, обеспечивая более высокие урожаи с меньшими потерями.

Прежде чем можно будет сказать, какое влияние окажет следование циркадным ритмам на сельское хозяйство, предстоит еще много работы. Но в мире, где устойчивые технологии и идеи переходят от отдельного человека к целым отраслям, стоит задуматься о возможном методе, который просто следует естественному порядку жизни, которую мы хотим вырастить. Для этого потребуется лишь изменение наших собственных биологических часов.

Sara Kiley Watson “Understanding plant biological clocks could boost future agriculture”

Перевод статьи «Understanding plant biological clocks could boost future agriculture» автора Sara Kiley Watson, оригинал доступен по ссылке. Лицензия: CC BY. Изменения: переведено на русский язык