Изменение климата значительно увеличивает производство сои, но ухудшает её качество

Исследование, опубликованное в журнале Food Research International, проводилось учеными из Лаборатории экологической физиологии растений (LAFIECO) кафедры ботаники Института биологических наук Университета Сан-Паулу (IB-USP) в Бразилии. Ученые выявили снижение содержания крахмала на 20% и белка на 6% в бобах, подвергшихся тройному воздействию. Кроме того, они отметили значительное увеличение содержания аминокислот (на 175%).

«Это увеличение содержания аминокислот было неожиданным. Мы даже не знаем, как это повлияет на животных. Нам необходимо понять последствия тройного воздействия на белковый обмен, что очень важно для сои, используемой в кормах для животных. Мы видели, что содержание белка снижается в условиях резких климатических изменений. Кроме того, бобы теряют крахмал, а значит, и энергию», — резюмирует Маркос Баккеридж, координатор LAFIECO.

Исследователь утверждает, что полученные данные могут помочь откалибровать прогностические модели для глобального сельского хозяйства в контексте воздействия изменения климата, о котором сообщает Межправительственная группа экспертов по изменению климата (IPCC). Группа, ответственная за исследование, состоит из исследователей в области биоинформатики, физиологии и биохимии растений, химии, статистики и математического моделирования. Они являются пионерами в изучении совокупного воздействия этих стрессовых факторов на урожай сои. Однако это первое исследование, в котором оценивается совокупное воздействие всех трех факторов, указывающее на то, что может произойти с урожаем.

Баккеридж отмечает, что удобряющее действие повышенного уровня углекислого газа на растения хорошо задокументировано в литературе: «Это заставляет растение расти быстрее, что позволяет производить больше семян. А что происходит, когда присутствует засуха? Мы обнаружили, что CO₂ защищает растение от последствий засухи. Даже умеренная засуха приводит к тому, что растение производит меньше семян. Но при высоком уровне углекислого газа устьица листьев слегка закрываются [устьица — это важнейшие микроструктуры для газообмена и транспирации, которые в основном находятся в листьях и открываются в течение дня при наличии света]. Другими словами, растение поглощает углекислый газ, необходимый ему для жизнедеятельности, но теряет меньше воды. В этом и заключается защитный эффект CO₂ от засухи».

В случае высоких температур и повышения концентрации углекислого газа в окружающей среде это также предотвратит вредное воздействие температуры и поможет растению расти. «CO₂ обычно увеличивает содержание крахмала в листьях, потому что, когда он попадает в растение и создает положительное углеродное давление, растение не всегда может полностью его переработать, поскольку этот метаболизм очень сложен и включает множество метаболических путей. По мере того, как поток становится затрудненным, растение начинает запасать углерод в качестве резерва в виде крахмала в листьях», — говорит Баккеридж.

Вопрос заключался в том, что происходит с бобами, когда три фактора сочетаются в условиях, более приближенных к полевым? Баккеридж объясняет, что группа сосредоточилась на семенах, поскольку это основной продукт переработки сои: «Это исследование, ориентированное на сельское хозяйство. Я ожидал, что три стрессовых фактора взаимно компенсируют друг друга, что приведет к незначительным изменениям в росте растений. Я был удивлен, что они росли лучше при всех трех стрессовых факторах. Это означает, что температура и высокая концентрация CO₂ способствуют этому эффекту, поскольку одна только засуха привела бы к снижению урожайности растения».

По его словам, более низкое содержание крахмала в семени означает, что растение направило захваченный углерод на построение клеточной стенки, то есть целлюлозы и гемицеллюлозы, и произвело больше клетчатки. Баккеридж говорит: «Другими словами, высокое содержание углекислого газа вызывает отклонение от нормального метаболизма бобов. Засуха вызывает второе отклонение, а температура — третье. Когда мы объединяем эти три фактора, мы получаем отклонение номер четыре. Это означает, что процесс не является линейным, что является одним из важнейших выводов нашей последней опубликованной работы. Пути воздействия стрессовых факторов различны. Температура и засуха действуют через разные пути стресса с метаболической точки зрения. Мы это уже понимаем и опубликовали. Поэтому важно понимать их влияние в сочетании с высокой концентрацией CO₂».

Эксперимент и моделирование

При индивидуальном анализе повышенная концентрация углекислого газа увеличила урожайность бобов до 142%, в то время как высокие температуры и засуха снизили урожайность на 91% и 60% соответственно. Совместный тройной эффект (повышенная концентрация CO₂ + высокая температура + засуха) был оценен с использованием прогностического моделирования на основе экспериментально подтвержденных данных о двойном стрессе (повышенная концентрация CO₂ + высокая температура и повышенная концентрация CO₂ + засуха). Однако конкретная комбинация этих трех факторов не была экспериментально подтверждена.

«Проведение эксперимента со всеми вариантами обработки и контрольными группами одновременно было бы масштабным проектом. Нам нужно было бы рассмотреть контрольные группы для сочетаний высокой концентрации CO₂ с температурой и засухой, высокой концентрации CO₂ с температурой, но без засухи, высокой концентрации CO₂ только с засухой без температуры, а у меня нет места в системе. У меня есть камеры, которые повышают температуру, и я могу искусственно создать засуху, удаляя воду из растений. Эти эксперименты уже были протестированы и дали отличные результаты, позволив нам понять, как различные стрессовые факторы влияют на растения по отдельности и в сочетании», — объясняет Баккеридж.

Он имеет в виду камеры с открытым верхом, представляющие собой трубки с открытым верхом, в которые можно вводить углекислый газ. Высота камер составляет от 1,60 до 1,70 метров. «При их строительстве все расчеты проводились совместно с инженерами из инженерной школы Института математических наук и вычислительной техники, чтобы определить, сколько времени требуется для входа и выхода CO₂ из камеры. В этом эксперименте мы вводили углекислый газ таким образом, чтобы его концентрация внутри была вдвое выше, чем в окружающем воздухе (в среднем 400 частей на миллион). Следовательно, мы вводили его так, чтобы осталось 800 частей на миллион», поясняет исследователь.

Камеры измеряют температуру окружающей среды и могут повышать ее до 5 °C. Ученые подвергли растение максимальному стрессу, пределу возможностей, при температуре на 5 °C выше и удвоенном содержании CO₂, заставляя его реагировать. Наконец, чтобы имитировать засуху, группа прекратила полив растений. По словам Баккериджа, они использовали сорт MG/BR-46 Conquista, предоставленный Бразильской корпорацией сельскохозяйственных исследований (EMBRAPA). Он был «тщательно изучен, поскольку необходимо имитировать засуху, аналогичную реальным полевым условиям».

Растения подвергались следующим стрессовым условиям, как по отдельности, так и в комбинации: CO₂ и температура окружающей среды (400 ppm CO₂ + температура окружающей среды); высокая концентрация CO₂ (800 ppm CO₂ + температура окружающей среды); высокая температура (400 ppm CO₂ + 5 °C); высокая концентрация CO₂ и высокая температура (800 ppm CO₂ + 5 °C); засуха (400 ppm CO₂ + снижение полива); и высокая концентрация CO₂ плюс засуха (800 ppm CO₂ + снижение полива). Общая биомасса, измеренная через 60 дней после начала эксперимента, использовалась для прогнозирования урожайности фасоли через 125 дней.

Для прогнозирования тройного воздействия ученые использовали инструменты искусственного интеллекта, основанные на результатах экспериментов. Для оценки влияния факторов, как по отдельности, так и в комбинации, применялись обобщенные линейные модели (GLM). При поддержке Институт математических наук и вычислительной техники (ICMC) для прогнозирования тройного эффекта использовались методы машинного обучения (XGBoost и CatBoost). 

«Моделирование с помощью ИИ смогло предсказать результаты воздействия двух стрессовых факторов на бобы, что было подтверждено в эксперименте. Это позволяет нам полагать, что мы можем полагаться на результаты, полученные с помощью моделирования тройного воздействия», отмечает ученый. 

По его словам, следующим шагом группы станет выявление генов, ответственных за реакцию на различные стрессовые факторы, и определение того, как эти факторы влияют на метаболизм растений: «Обладая этими знаниями, мы сможем, например, перепроектировать растение, чтобы оно производило такое же количество белка, теряя при этом меньше крахмала. В конечном итоге, станет возможным подготовить семена для лучшей адаптации к изменению климата».

Ученые также стремятся понять, как эти новые параметры влияют на модели, используемые для прогнозирования воздействия изменения климата на сельскохозяйственные культуры. «Вполне вероятно, что другие виды будут вести себя аналогично. Мы уже провели эксперимент с двойным эффектом на сахарном тростнике. Теперь нам нужно протестировать температуру и запустить моделирование с использованием ИИ», — объясняет Баккеридж.