Innovativa experiment med temperaturkontrollerade åkerplotter har hjälpt till att förklara kopplingen mellan tidiga vintertemperaturer och skörd i några av våra mest säljbara åkergrödor. Kredit:Phil Robinson - John Innes Centre
Innovativa experiment med temperaturkontrollerade åkerplotter har hjälpt till att förklara kopplingen mellan tidiga vintertemperaturer och skörd i några av våra mest säljbara åkergrödor.
Laboratorie- och fältteknik gjorde det möjligt för teamet av forskare från John Innes Center att simulera hela växtsäsonger och fastställa att kylning är viktig i slutet av november/början av december eftersom det främjar tillväxt under tidig blomutveckling av grödan.
De visade att rapsväxter kan genomgå en utvecklingsfas som kallas blomknoppsvila om vintertemperaturen är för varm. Denna fysiologiska process sker när de mikroskopiska, nybildade knopparna ligger inaktiva och väntar på låga temperaturer för att signalera tillväxt och är väl förstådd hos fleråriga växter som växer år efter år.
Detta utvecklingsstadium var inte känt för att existera i ettåriga grödor (de som fullbordar sin livscykel under en växtsäsong).
Rapsplantor som kyldes i detta viktiga utvecklingsstadium utvecklades snabbare och gav högre avkastning, vilket gav fler frön per balja. Omvänt växte växter som odlades under varmare förhållanden långsamt och gav lägre avkastning.
Professor Steve Penfield, en gruppledare vid John Innes Center säger att "det var förvånande att finna att ettåriga vinterväxter har denna blomknoppsvila - ingen har någonsin föreslagit att denna mekanism är viktig för blomningstidskontroll i ettåriga växter. Våra experiment vidare visar att om blomknoppar upplever varmare temperaturer än genomsnittet så saktar tillväxten ner och växter producerar avvikande blommor och låg avkastning. Omvänt vet vi att om plantorna kyls ner i detta skede främjar detta snabbare tillväxt och högre avkastning."
Tidigare studier har visat ett starkt samband mellan temperaturerna i slutet av november-början av december och skörden i grödor som raps, som är ettåriga vinterväxter, planteras på hösten och skördas följande sommar.
Kallare temperaturer under detta väderfönster är kopplade till högre skördar, medan varmare temperaturer ger lägre skörd. Skillnaderna i förhållandena under detta viktiga väderfönster står för en variation på upp till 25 % av den totala avkastningen.
Att förstå orsakerna bakom de statistiska sambanden mellan klimat och skörd är viktigt för att förutsäga klimatförändringarnas inverkan på växtodlingen och skulle kunna användas för att utveckla strategier för att anpassa grödan för att ge högre skördar med varmare vintrar.
Första författaren till tidningen Dr. Carmel O'Neil säger att de "vill förstå effekten av klimatförändringar på skördarna i Storbritannien. För att förutsäga dessa effekter och svara på dem måste vi förstå alla processer genom vilka varierande väder påverkar avkastningen. Och det är vad vi har gjort här i den här studien - bevisar experimentellt vad vi har sett tidigare i korrelerade studier."
I vad som tros vara en unik uppsättning experiment använde forskarna inomhusrum med kontrollerad miljö programmerade för att simulera en årlig vinterväxtsäsong baserat på väderdata som samlats in från en gård.
Efter det inomhuskontrollerade, laboratoriekontrollerade försöket flyttade teamet experimentet till ett fältförsök med användning av ett uppvärmt fältsystem utomhus vid John Innes Centres fältförsök och experimentplats, Church Farm.
Resultaten från både laboratoriet och fältförsöken var desamma, varmare förhållanden ledde till långsammare tillväxt och minskad skörd.
Med hjälp av molekylära tekniker analyserade teamet generna som uttrycks i knoppvävnaderna hos rapsväxterna som påverkades av temperaturförändringar. Detta visade att en tidigare välkänd gen för kylningsvar som kallas FLC förmedlade växternas svar på knoppviloläge på vintertemperaturer.
Professor Penfield tillade att de "hade sett detta samband mellan kylning och avkastning i data, men hittills kunde vi inte säga att kylning var kopplad till grödans fysiologi - det är till exempel inte att kylning bara dödar någon sjukdom eller skadedjur - även om det kan göra det också. Men vi vet nu varför kylning påverkar skörden och det beror på fysisk effekt på växternas tillväxthastighet."
Tidigare forskning har identifierat vikten av temperatur på en växtbiologisk utvecklingsprocess som kallas vernalisering, som sker i oktober i rapsväxter.
Genom att identifiera att det finns en andra temperaturkänslig process, knoppvila, som inträffar senare under växtsäsongen kan forskare och uppfödare hjälpa oss att bättre svara på utmaningen med klimatförändringar. En strategi som övervägs är att identifiera sorter som är mindre temperaturkänsliga.
Forskningen publicerades i Proceedings of the National Academy of Sciences . + Utforska vidare
