A búza virágzása körüli hőtűrés az éghajlatváltozás hatására Európában megnövekedett terméspotenciál egyik legfontosabb jellemzője

Pierre Stratonovitch, Mikhail A. Semenov, A búza virágzása körüli hőtűrés, amelyet az éghajlatváltozás hatására Európában megnövekedett hozampotenciál kulcsfontosságú tulajdonságának neveztek, Journal of Experimental Botany, 66. évfolyam, 12. szám, 2015. június, 3599–3609. Oldal, https: //doi.org/10.1093/jxb/erv070

Absztrakt

Bevezetés

Becslések szerint a világ élelmiszer-ellátottságának 70–100% -os növekedésére van szükség ahhoz, hogy 2050-re becslések szerint 9 milliárd ember éljen (Godfray et al., 2010). A meglévő növénytermesztési területek bővítésének korlátozott lehetőségei miatt a növények termelékenységének jelentős növelésére van szükség a jövőbeni élelmezésbiztonság garantálásához (Parry et al., 2011; Reynolds et al., 2011). A búzahozamok az elmúlt évszázadban jelentősen megnőttek, elsősorban a genetikai fejlesztések, a magasabb műtrágyázási arány, valamint a kártevők és betegségek jobb kezelésének köszönhetően (Semenov et al., 2012). Például az Egyesült Királyságban az átlagos búzatermés az 1960-as évek óta megduplázódott, 4 t ha –1 és 8 t ha –1 között. A búzanövények azonban nagyon érzékenyek a környezeti és éghajlati változásokra (Porter és Semenov, 2005). Az elmúlt két évtized során a búza genetikájában elért haladást már részben ellensúlyozták az európai éghajlat változásai (Brisson et al., 2010; Lobell et al., 2011). Ezért a globális felmelegedés, amelyet a helyi időjárási szokások megváltozása és az extrém események gyakoriságának növelése jellemez, nagy kihívást jelent a növénynemesítők számára a növekvő hozampotenciálban (Semenov et al., 2014). Multidiszciplináris megközelítésre van szükség annak megértéséhez, hogy a növények hogyan reagálnak az abiotikus stresszekre, majd ezeket az ismereteket a klímaváltozás összefüggésében alkalmazzák (Reynolds et al., 2011; Zheng et al., 2012; Martre et al., 2015).

Kimutatták, hogy a búza a szaporodási szakaszban különösen érzékeny az extrém hidegre és meleg hőmérsékletre (Saini et al., 1983; Marcellos and Single, 1984; Alghabari et al., 2014; Vara Prasad és Djanaguiraman, 2014). A globális felmelegedés hatására az antézis körüli magas hőmérsékletek gyakorisága várhatóan növekedni fog Európában (Semenov és Shewry, 2011). Másrészt egy modellező tanulmány kimutatta, hogy Ausztráliában a melegebb hőmérséklet a búzanövények fagykárosodásának kockázatát is növelheti azáltal, hogy felgyorsítja a növények fejlődését, így az antézis egybeesik a késői fagyokkal (Fuller et al., 2007). Annak számszerűsítése érdekében, hogy az extrém hőmérsékletek, alacsony vagy magas, hogyan befolyásolhatják a termésveszteséget az éghajlatváltozás hatására, a fagyra és az antézis körüli magas hőmérsékletre adott búza reakciókat és a gabonatöltést beépítették a Sirius termésszimulációs modelljébe (Jamieson et al., 1998b; Shewry, 2011; Semenov et al., 2014). A Sirius egy jól validált modell, és képes volt pontosan szimulálni a búza növekedését és a gabonatermést sokféle környezetben, beleértve Európát, USA-t, Új-Zélandot és Ausztráliát, valamint az éghajlatváltozás körülményeit utánzó kísérletekben, pl. Szabad levegő szén-dioxid-gazdagító (FACE) kísérletek (Jamieson és Semenov, 2000; Ewert és mtsai, 2002; Martre és mtsai, 2006; Lawless és mtsai, 2008; Ő és mtsai, 2012; Asseng és mtsai, 2013).

Vizsgálatunk célja a búza hozampotenciáljának és az éghajlatváltozás hatására bekövetkezett hőstressz hatásának felmérése volt a globális klímamodellek CMIP5 együttesének legfrissebb előrejelzései alapján (Stocker et al., 2013). A kifinomult Sirius modellt használták a hőtűrő (HT) vagy a hőérzékeny (HS) búza ideotípusok optimális kombinációjának kiválasztására hat, különböző éghajlatú európai helyszínen. Két kísérleti adatkészletet használtunk a búza magas hőmérsékletére adott HT és HS válaszok jellemzésére. Először, a Hot Serial Cereal (HSC) kísérletben a „Yecora Rojo” tavaszi fajta szemtermését, amelyet rendszeres időközönként vetettek 2 év alatt, súlyosan befolyásolták az extrém alacsony és magas hőmérsékletek (Wall et al., 2011; White és mtsai, 2011; Ottman és mtsai, 2012). Ez lehetővé tette számunkra, hogy jellemezzük a magas hőmérséklet hatását a gyorsított levélöregedésre a gabona kitöltése során, ami hatással van a vizsgálatunk HT és HS ideotípusaira is. A második független kísérletben a rendkívül hőérzékeny „Chinese Spring” fajtát (Qin és mtsai, 2008) ellenőrzött környezetben termesztették, és az indítástól az érettségig különféle hőmérsékleti kezeléseknek vetették alá (Vara Prasad és Djanaguiraman, 2014). Az ebben a kísérletben levezetett paramétereket használtuk a szemcseszám és a potenciális szemtömeg csökkenésének leírására, amely csak a HS ideotípusokat érinti tanulmányunkban.

A Sirius finomított változatát a szélsőséges hőmérsékletekre adott válaszokkal együtt használták a HT és a HS ideotípusainak optimalizálására az egyes helyeken. A búza ideotípust nyolcféle fajta paraméterként határozták meg, amelyek szabályozzák a búza fenológiáját, a lombkorona felépítését, a levél öregedését, a vízstresszre adott reakciókat és a gyökérvíz felvételt. Ezen paraméterek megváltoztatásával megváltoztatták a búza növekedését és fejlődését az éghajlati és környezeti változásokra reagálva, és lehetőség nyílt jobb teljesítményű ideotípusok kiválasztására a jövőbeni éghajlatok és környezetek mellett. A virágzás és a szemes feltöltés során bekövetkező magas hőmérséklet tolerancia fontosságát a HT és a helyszínen optimalizált HS ideotípusok összehasonlításával értékeltük. Mivel a hőtűréssel kapcsolatos paramétereket nem optimalizálták, számítani lehet arra, hogy a déli helyszíneken a HS ideotípusok fenológiáját erősen befolyásolja a magas hőmérséklet előfordulása. Másrészt a HT ideotípusai hozambüntetések nélkül meghosszabbíthatják a tenyészidőt. Ez lehetővé tette a hőstressz-hatásokból származó hozamveszteségek közvetlen számszerűsítését, például a redukciós ingrammszámot, és közvetett módon, például a HS ideotípusok korai virágzása miatti terméscsökkenést.

Extrém hőmérsékleti válaszok beépítése a Siriusba

Gyorsított levél öregedése a magas hőmérsékletre reagálva

Búzában a magas, 34 ° C-nál magasabb hőmérséklet felgyorsítja a levelek öregedését, ami jelentős hatással van a gabona hozamára (Wardlaw és Moncur, 1995). A korai öregedés csökkenti a növény által elfogott teljes fénymennyiséget azáltal, hogy lerövidíti a gabonatöltés időtartamát (Porter és Gawith, 1999; Asseng et al., 2011). A modell-gyorsított levélöregedés megközelítését alkalmazták, a maximális lombkorona hőmérséklet alapján, hasonlóan Asseng et al. (2011).