Нов компютърен модел включва как микроскопичните пори на листата могат да се отворят в отговор на светлината - напредък, който може да помогне на учените да създадат виртуални растения, за да предскажат как по-високите температури и нарастващите нива на въглероден диоксид ще повлияят на хранителните култури, според проучване, публикувано в специален брой от юли 2019 г. на списание Photosynthesis Research.
"Това е вълнуващ нов компютърен модел, който може да ни помогне да правим много по-точни прогнози при широк спектър от условия", каза Йоханес Кромдайк, който ръководи работата като част от международен изследователски проект, наречен Реализиране на повишена фотосинтетична ефективност (ЗЗЯЛ).
RIPE, която се ръководи от Университета на Илинойс, е инженерингови култури, за да бъдат по-продуктивни, без да се използва повече вода чрез подобряване на фотосинтезата, естественият процес, който всички растения използват, за да преобразуват слънчевата светлина в енергия за стимулиране на растежа и добивите на културите. RIPE се подкрепя от Фондация Бил и Мелинда Гейтс, американската фондация за изследвания в областта на храните и селското стопанство (FFAR) и отдела за международно развитие на правителството на Обединеното кралство (DFID).
Настоящата работа се фокусира върху симулирането на поведението на това, което е известно като устицата - микроскопични пори в листата, които в отговор на светлината се отварят, за да позволят на вода, въглероден диоксид и кислород да влизат и излизат от растението. През 2018 г. екипът на RIPE публикува статия в Nature Communications, която показва, че увеличаването на един специфичен протеин може да накара растенията да затворят частично устицата си - до точка, в която фотосинтезата не е била засегната, но загубата на вода е намаляла значително. Експерименталните данни от това проучване бяха използвани за създаване на новоподобрения модел на устицата, представен днес.
"Ние знаем от десетилетия, че фотосинтезата и отварянето на устицата са тясно координирани, но как това работи остава несигурно," каза Стивън Лонг, катедра по науки за културите и растителна биология в Университета на Икенбери в Университета на Илинойс. "С този нов компютърен модел имаме много по-добър инструмент за изчисляване на движенията на устицата в отговор на светлина."
Крайната цел, каза Лонг, е да се идентифицират възможности за контролиране на тези устни пазители, за да се правят устойчиви на суша култури. „Сега се приближаваме до липсващата връзка: Как фотосинтезата казва на стоматите кога да се отварят.“
Компютърното моделиране е голям напредък в отглеждането на култури. Бащата на съвременната генетика, Грегор Мендел, направи своето пробивно откритие, че растенията от грах наследяват черти от родителите си, като отглеждат и отглеждат повече от 10 000 грахови растения в продължение на осем години. Днес учените по растенията могат на практика да отглеждат хиляди култури за броени секунди, използвайки тези сложни компютърни модели, които симулират растежа на растенията.
Моделите на стоматите се използват заедно с модели за фотосинтеза, за да се правят широкообхватни прогнози от бъдещи добиви до управление на културите, като например как културите реагират при дефицит на вода. В допълнение, тези модели могат да дадат на учените предварителен преглед на това как култури като пшеница, царевица или ориз могат да бъдат засегнати от повишаването на нивата на въглероден диоксид и по-високите температури.
"Предишната версия на модела на устицата използва връзка, която не е в съответствие с настоящото ни разбиране за движенията на устицата", каза Кромдайк, сега университетски преподавател в университета в Кеймбридж. „Открихме, че новата ни версия се нуждае от много по-малко настройка, за да прави много точни прогнози.“
Все пак има много работа, която трябва да се свърши, за да се покаже, че този модифициран модел функционира в голямо разнообразие от приложения и да се подпомогне връзката между устицата и фотосинтезата.
"Трябва да покажем, че този модел работи за различни видове и местоположения", каза бившият член на RIPE Катажина Гловацка, сега асистент в Университета на Небраска-Линкълн.„Мащабните симулационни модели обединяват модели за атмосферна турбуленция, прихващане на светлина, наличност на почвена вода и други – така че трябва да убедим няколко изследователски общности, че това е подобрение, което си струва да се направи.“
