Water is dus niet alleen van fundamenteel belang voor de productie van voldoende voedsel om de wereldbevolking te voeden (die naar verwachting in 2050 9,7 miljard mensen zal bereiken), maar we moeten ook de gewasopbrengsten verhogen met minder water.

De sleutel tot duurzame landbouw zou kunnen liggen in de erfenis van wilde verwanten van essentiële gewassen als tarwe en gerst. Deze onderbenutte genetische schatten herbergen stresstolerantiemechanismen die zijn gevormd door generaties van natuurlijke selectie onder zware omstandigheden.

Onderzoekers erkennen in genetische studies al lang dat wilde verwanten een bron van stresstolerantie zijn, maar de meeste van deze ontdekkingen gebeuren toevallig of zijn zeldzaam.

Er zijn zoveel verschillen tussen de structuur en fysiologie van commerciële gewasvariëteiten en hun wilde verwanten, dat traditionele screeningsmethoden ontoereikend zijn voor het identificeren, analyseren en integreren van wilde gewassen in fokprogramma's.

Ons onderzoek, gepubliceerd in New Phytologist , stelt een systematische aanpak vast met behulp van high-throughput en niet-invasieve beeldvormingstechnieken om te beslissen welke wilde lijnen gunstige eigenschappen hebben voor de verbetering van gewassen en die in aanmerking moeten komen voor veredeling, waarbij toevallige ontdekkingen worden vermeden.

Verder kijken dan het blote oog

Tot voor kort was de beste manier om de gewasprestaties in grootschalige veldexperimenten te bepalen het planten van verschillende gewaslijnen en deze te evalueren op basis van hun uiterlijk en de hoeveelheid graan die ze produceerden.

Maar wilde verwanten hebben de neiging hun zaden te laten vallen als ze volledig volgroeid zijn, waardoor het moeilijk wordt om ze te beoordelen op basis van hun graanopbrengst, dus fokkers denken vaak twee keer na voordat ze ermee gaan werken.

Innovatieve teledetectietechnologieën veranderen nu de manier waarop we de gewasprestaties beschrijven. Het is alsof je verder kijkt dan wat het blote oog kan waarnemen en signalen detecteert van de vele lichtgolven die planten reflecteren door het zonlicht of uitstralen als fluorescentie of warmte.

Als vorm van straling wordt warmte uitgezonden op golflengten die verder gaan dan wat mensen kunnen zien, maar deze kunnen worden gemeten met behulp van thermische detectoren.

Gereflecteerd zonlicht biedt een schat aan informatie over hoe efficiënt planten fotosynthetiseren; waarbij zonlicht, koolstofdioxide en water worden gebruikt om zuurstof en energie in de vorm van suiker te produceren. Dit kan nauwkeurig worden gemeten met behulp van hyperspectrale beeldsensoren die informatie uit het hele elektromagnetische spectrum verzamelen en verwerken in honderden of duizenden smalle spectrale banden.

Hoewel het gebruik van teledetectie om planteigenschappen te bestuderen al populair is, stimuleren we dit door te onderzoeken hoe efficiënt het gewas water gebruikt, en deze informatie te combineren met hyperspectrale en thermische beeldtechnologieën.

Als we de mechanismen begrijpen die oude gewassen gebruiken om te reageren op temperatuurschommelingen, kunnen we onontgonnen mogelijkheden voor plantenveredeling ontdekken en ons onderzoek doelgerichter maken.

Uiteindelijk is het doel om nieuwe commerciële variëteiten te ontwikkelen van de aan het milieu aangepaste wilde lijnen, waardoor een pad wordt geopend voor duurzame landbouw door de huidige barrière te overwinnen om te bepalen welke wilde lijnen onaangeboorde, aan droogte aangepaste eigenschappen hebben.

Dit is vaak lastig te bepalen omdat de gewenste eigenschappen kunnen verschillen afhankelijk van het veredelingsdoel en de teeltlocatie.

Ademen en drinken door hetzelfde rietje

Planten verliezen water door een proces dat bekend staat als transpiratie en dat plaatsvindt via huidmondjes, dezelfde doorgangen waardoor kooldioxide het bladoppervlak kan binnendringen.

Door dezelfde in- en uitgang te gebruiken, is er een onvermijdelijke afweging tussen het besparen van water en het verkrijgen van voldoende koolstof om via fotosynthese gezonde granen te produceren.

Onze screeningtechniek omarmt deze afweging en zoekt naar planten die langere perioden van watertekort kunnen doorstaan, maar toch weer gezond kunnen groeien zodra ze zijn gerehydrateerd.

Net als in 'Dune', waar mensen zich hebben aangepast om met zeer droge omstandigheden om te gaan, hebben planten uit woestijnomgevingen hun eigen manieren ontwikkeld om met droge omstandigheden om te gaan.

Als we menselijk zweten beschouwen als transpiratie van planten, hebben planten die goed zijn aangepast aan droge omstandigheden meerdere mechanismen ontwikkeld waardoor ze tijdens droogte minder kunnen ‘zweten’ en water kunnen besparen, maar toch minder gestrest en gezond blijven.

We gebruiken de gegevens die zijn verzameld met hyperspectrale en thermische teledetectietechnieken om een ​​op afbeeldingen gebaseerde transpiratie-efficiëntie (iTE)-index te creëren, een parameter voor plantenveredeling die relatief eenvoudig te interpreteren is.

Met behulp van iTE kunnen we vervolgens de goed aangepaste lijnen identificeren die een dergelijk efficiënt gebruik van water onder droogteomstandigheden demonstreren en toch hun vermogen kunnen behouden om de groei te hervatten.

Twee vliegen in één klap

Hoewel we iTE hebben ontwikkeld met het oog op wilde populaties, zou de toepassing ervan zich ook kunnen uitstrekken tot gecultiveerde commerciële gewassen.

Als overgang van traditionele selectiemethoden die puur gericht zijn op opbrengstprestaties voor cultivarselectie, zou de iTE-index kunnen worden geïntegreerd met klassieke tolerantiemetingen om uitgebreidere en beter geïnformeerde beslissingen te nemen over de beste wilde lijnen voor veredeling.

In samenwerking met het Instituut voor Duurzame Landbouw in Spanje, IAS-CSIC, hebben we een sterk verband ontdekt tussen een positieve verandering in iTE onder droogteomstandigheden in vergelijking met een goed geïrrigeerde controle, en opbrengststabiliteit bij commerciële tarwevariëteiten; hoe groter de toename van iTE, hoe minder opbrengstverliezen.

Opbrengststabiliteit geeft aan hoe goed een gewas zijn graanopbrengst behoudt onder droogte vergeleken met normale, goed bewaterde omstandigheden. Maar er zijn verschillende redenen waarom sommige gewassen beter bestand zijn tegen droogte.

Sommige planten kunnen bijvoorbeeld effectief blijven fotosynthetiseren, zoals uit ons onderzoek blijkt, terwijl andere mogelijk diepere wortels hebben die toegang hebben tot water ver onder het oppervlak.

Deze laatste kunnen op warmtebeelden verschijnen als koelere luifels, omdat ze meer water kunnen opnemen, waardoor de plant kan blijven transpireren en de temperatuur kan worden verlaagd.

Of deze transpiratie te wijten is aan diepe wortels of dat deze planten simpelweg hun poriën (huidmondjes) openhouden, ongeacht de waterschaarste, is moeilijk uit een veldproef vast te stellen. Ons onderzoek breekt deze complexiteit af om precies te begrijpen hoe gewassen opbrengststabiliteit bereiken.

Door inzicht te krijgen in de specifieke manieren waarop planten aan het einde van het seizoen hun opbrengst behouden, kunnen we de onderliggende genetica efficiënter benutten.

Gewassen voor de toekomst

Zodra we veelbelovende wilde lijnen hebben geïdentificeerd, zal de volgende stap zijn om ze aan te passen aan de standaard landbouwpraktijken via een proces dat bekend staat als de novo domesticatie.

Deze methode versnelt het proces dat mensen al duizenden jaren gebruiken om betere gewassen te selecteren en te veredelen. In plaats van generaties te wachten, gebruiken we geavanceerde veredelingstechnieken om snel de goede eigenschappen van gedomesticeerde gewassen direct toe te voegen aan de wilde, stresstolerante planten.

Deze niet-transgene veredelingsmodificaties produceren gewassen die gemakkelijker te telen zijn met behulp van standaard managementpraktijken.

Door hyperspectrale teledetectie te gebruiken om goede kandidaat-wilde lijnen te identificeren en de novo domesticatie om ze toegankelijk en wenselijk te maken voor telers, kunnen we de ontwikkeling van gewassen radicaal veranderen en planten aanpassen aan het veranderende klimaat om aan de groeiende mondiale vraag naar voedsel te voldoen.

Meer informatie: Luis M. Guadarrama-Escobar et al, Terug naar de toekomst voor droogtetolerantie, Nieuwe fytoloog (2024). DOI:10,1111/nph.19619

Journaalinformatie: Nieuwe fytoloog

Aangeboden door Universiteit van Melbourne