Климатически устойчивые культуры

Ничему в растении не соответствует «засухоустойчивость». Существует набор во многом независимых стратегий выживания и плодоношения при дефиците воды, у каждой своя физиология и свой счёт. Сорт может быть хорош в одной и бесполезен в другой, а две линии с одинаковым урожаем в стрессе нередко приходят к нему противоположными путями.

Четыре механизма, которые не складываются

Устьичная регуляция — самый быстрый рычаг. Закрытие устьиц сберегает почвенную влагу, но через те же поры входит углекислый газ, поэтому сбережённая вода — это несвязанный углерод. Водосберегающая линия выигрывает в сезон, кончающийся засухой, и проигрывает в любой другой.

Глубина и архитектура корня не столько торгуются, сколько переносят ограничение: глубокий корень достаёт воду, недоступную мелкокорневой линии. Но корень — дорогая ткань, он не виден фенотипической платформе, а крутое глубокое укоренение вредно там, где подпахотный горизонт переуплотнён или засолён.

Осмотическая регуляция — накопление пролина, глицинбетаина и растворимых сахаров, удерживающее тургор при более низком водном потенциале, — сохраняет работоспособность клеток ценой метаболических затрат, которые несут независимо от того, придёт засуха или нет.

Сигналинг абсцизовой кислоты надстроен над остальными: рецепторы семейства PYR/PYL/RCAR связывают АБК, подавляют фосфатазы PP2C, освобождают киназы SnRK2, и нижележащий ответ закрывает устьица и включает защитные гены. Это привлекательная мишень инженерии именно потому, что это узел, — и опасная по той же причине: конститутивно включённая программа засухи означает растение, ведущее себя как угнетённое в благополучный день.

Последнее наблюдение обобщается. Большая часть защитных механизмов несёт потерю урожая в благоприятных условиях; отсюда практика стресс-индуцируемых, а не конститутивных промоторов и требование оценивать кандидатов по урожаю во всём диапазоне сред, а не только на сухом краю.

Почему поле разочаровывает

Вегетационный опыт задаёт засуху быструю, однородную, жёсткую и ничем не сопровождаемую. Полевая засуха развивается медленно, пятнами, вместе с высокой температурой и дефицитом давления пара, и её эффект решающим образом зависит от того, когда она пришлась относительно цветения. Воздействие, спасающее проросток в климатической камере, может ничего не дать посеву, потерявшему урожай за четыре дня в фазу цветения.

Жара устроена так же. Основной удар приходится не на фотосинтез, а на репродукцию: кратковременный перегрев во время мейоза и цветения нарушает вскрытие пыльников и жизнеспособность пыльцы, а возникшие стерильные цветки хорошими условиями потом не восстановить. Значит, скрининг обязан попасть в узкое окно развития, что воспроизводимо сделать в поле трудно.

Трансгенные разработки в этой области честны относительно величины эффекта. Кукуруза с бактериальным белком холодового шока, работающим как РНК-шаперон, коммерциализованная в США и введённая в африканские селекционные программы, защищает урожай при умеренной засухе, а не преображает его; признак HB4 у пшеницы и сои — подсолнечниковый транскрипционный фактор, одобренный в Аргентине, — столь же инкрементален. Это и есть реалистичная форма результата, когда целевой признак полигенен, а вторая половина фенотипа — среда.