Innovatieve experimenten met temperatuurgecontroleerde veldpercelen hebben geholpen om het verband tussen vroege wintertemperaturen en opbrengst in enkele van onze meest verhandelbare akkerbouwgewassen te verklaren.

Dankzij laboratorium- en veldtechnologie kon het team van onderzoekers van het John Innes Center volledige groeiseizoenen simuleren en vaststellen dat koeling eind november/begin december belangrijk is omdat het de groei bevordert tijdens de vroege bloemontwikkeling van het gewas.

Ze toonden aan dat koolzaadplanten een ontwikkelingsfase kunnen ondergaan die bekend staat als bloemknoprust als de wintertemperatuur te warm is. Dit fysiologische proces vindt plaats wanneer de microscopisch kleine, nieuw gevormde knoppen inactief liggen te wachten op lage temperaturen om groei te signaleren en is goed bekend bij vaste planten die jaar na jaar groeien.

Deze ontwikkelingsfase was niet bekend bij eenjarige gewassen (die hun levenscyclus in één groeiseizoen voltooien).

Koolzaadplanten die in dit belangrijke ontwikkelingsstadium werden gekoeld, ontwikkelden zich sneller en leverden meer op, en produceerden meer zaden per peul. Omgekeerd groeiden planten die onder warmere omstandigheden werden gekweekt langzaam en waren ze minder opbrengend.

Professor Steve Penfield, een groepsleider bij het John Innes Center, zegt dat "het verrassend was om te ontdekken dat eenjarigen in de winter deze kiemrust hebben - niemand heeft ooit gesuggereerd dat dit mechanisme belangrijk is voor de controle van de bloeitijd in eenjarige planten. Onze experimenten verder laten zien dat als bloemknoppen warmer dan gemiddelde temperaturen ervaren, de groei vertraagt ​​en planten afwijkende bloemen en een lage opbrengst produceren. Omgekeerd weten we dat als planten in dit stadium gekoeld worden, dit een snellere groei en een hogere opbrengst bevordert."

Eerdere studies hebben een sterke correlatie aangetoond tussen de temperaturen van eind november-begin december en de opbrengst van gewassen zoals koolzaad, die eenjarige winterplanten zijn, in de herfst worden geplant en de volgende zomer worden geoogst.

Koudere temperaturen tijdens dit weervenster zijn gekoppeld aan hogere opbrengsten, terwijl warmere temperaturen resulteren in lagere opbrengsten. De verschillen in omstandigheden tijdens dit belangrijke weervenster zorgen voor een variatie tot 25% van de totale opbrengst.

Het begrijpen van de redenen achter de statistische correlaties tussen klimaat en opbrengst is belangrijk voor het voorspellen van de impact van klimaatverandering op de gewasproductie en zou kunnen worden gebruikt om strategieën te ontwikkelen om het gewas aan te passen om hogere opbrengsten te produceren met warmere winters.

Eerste auteur van het artikel Dr. Carmel O'Neil zegt dat ze "het effect van klimaatverandering op de oogstopbrengsten in het VK willen begrijpen. Om deze effecten te voorspellen en erop te reageren, moeten we alle processen begrijpen waardoor wisselend weer de opbrengst beïnvloedt. En dat is wat we hier in deze studie hebben gedaan - experimenteel bewijzen wat we eerder hebben gezien in gecorreleerde onderzoeken."

In wat wordt beschouwd als een unieke reeks experimenten, gebruikten de onderzoekers indoor Controlled Environment Rooms die zijn geprogrammeerd om een ​​jaarlijks wintergroeiseizoen te simuleren op basis van weergegevens die zijn verzameld van een boerderij.

Na de indoor, laboratorium-gecontroleerde proef, verplaatste het team het experiment naar een veldproef, met behulp van een verwarmd veldplotsysteem buiten op de veldproeven en experimenteerplaats van het John Innes Centre, Church Farm.

De resultaten van zowel de laboratorium- als de veldproeven waren hetzelfde, warmere omstandigheden leidden tot langzamere groei en verminderde opbrengst.

Met behulp van moleculaire technieken analyseerde het team de genen die tot expressie worden gebracht in de knopweefsels van de koolzaadplanten die werden beïnvloed door temperatuurveranderingen. Dit toonde aan dat een eerder bekend huiveringwekkend responsgen, FLC genaamd, de kiemrustreactie van planten op wintertemperaturen medieerde.

Professor Penfield voegde eraan toe dat ze "de correlatie tussen koelen en opbrengst in de gegevens hadden gezien, maar tot nu toe konden we niet zeggen dat koelen verband hield met de fysiologie van het gewas - het is bijvoorbeeld niet zo dat koelen alleen maar een ziekte of plaag doodt - hoewel het dat ook zou kunnen doen. Maar we weten nu waarom koeling de opbrengst beïnvloedt en het heeft te maken met het fysieke effect op de groeisnelheid van de planten."

Eerder onderzoek heeft het belang van temperatuur vastgesteld op een plantbiologisch ontwikkelingsproces dat vernalisatie wordt genoemd en dat in oktober plaatsvindt in koolzaadplanten.

Door vast te stellen dat er een tweede temperatuurgevoelig proces is, de kiemrust, dat later in het groeiseizoen plaatsvindt, kunnen onderzoekers en veredelaars ons helpen beter in te spelen op de uitdaging van klimaatverandering. Een strategie die wordt overwogen, is het identificeren van rassen die minder temperatuurgevoelig zijn.

Het onderzoek is gepubliceerd in de Proceedings of the National Academy of Sciences . + Verder verkennen

Eerste 'lab in a field'-experiment onthult een zonniger kant van klimaatverandering