Torka är den mest förödande miljöpåfrestning som jordbrukare möter över hela världen. Med det ökade trycket från klimatförändringarna har torkaåren blivit mindre förutsägbara, mer frekventa och svårare.
Så inte bara vatten är grundläggande för att producera tillräckligt med mat för att föda världens befolkning – som förutspås nå 9,7 miljarder människor år 2050 – så vi måste öka skördarna med mindre vatten.
Nyckeln till hållbart jordbruk kan ligga i arvet från vilda släktingar till viktiga grödor som vete och korn. Dessa underutnyttjade genetiska skatter hyser stresstoleransmekanismer som formats av generationer av naturligt urval under tuffa miljöer.
Forskare har länge erkänt vilda släktingar som en källa till stresstolerans i genetiska studier, men de flesta av dessa upptäckter sker av en slump eller har varit sällsynta.
Det finns så många skillnader mellan strukturen och fysiologin för kommersiella grödor och deras vilda släktingar att traditionella screeningmetoder är otillräckliga för att identifiera, analysera och integrera vilda grödor i förädlingsprogram.
Vår forskning, publicerad i New Phytologist , etablerar ett systematiskt tillvägagångssätt med hög genomströmning och icke-invasiva avbildningstekniker för att avgöra vilka vilda linjer som har fördelaktiga egenskaper för förbättring av skörden och som bör övervägas för förädling, bort från tillfälliga upptäckter.
Fram till nyligen var det bästa sättet att bestämma grödans prestanda i stora fältexperiment att plantera olika växtlinjer och utvärdera dem baserat på deras utseende och hur mycket spannmål de producerade.
Men vilda släktingar tenderar att tappa sina frön när de är helt mogna, vilket gör det svårt att bedöma dem efter deras spannmålsskörd så uppfödare tänker ofta två gånger innan de arbetar med dem.
Innovativa fjärranalystekniker förändrar nu hur vi beskriver grödans prestanda. Det är som att se bortom vad det blotta ögat kan fånga för att upptäcka signaler från de många ljusvågorna som växter reflekterar från solljuset eller avger som fluorescens eller värme.
Som en form av strålning sänds värme ut vid våglängder bortom vad människor kan se men kan mätas med hjälp av termiska detektorer.
Reflekterat solljus ger en mängd information om hur effektivt växter fotosyntetiseras; använder solljus, koldioxid och vatten för att producera syre och energi i form av socker. Detta kan mätas exakt med hjälp av hyperspektrala bildsensorer som samlar in och bearbetar information från hela det elektromagnetiska spektrumet i hundratals eller tusentals smala spektralband.
Även om det redan är populärt att använda fjärranalys för att studera växtegenskaper, ökar vi det genom att fördjupa oss i hur effektivt grödan använder vatten och kombinera denna information med hyperspektral och termisk avbildningsteknik.
Att förstå mekanismerna som forntida grödor använder för att reagera på temperaturfluktuationer kommer att hjälpa oss att upptäcka outforskade möjligheter för växtförädling och göra vår forskning mer målinriktad.
I slutändan är målet att utveckla nya kommersiella sorter från de miljöanpassade vilda linjerna, vilket öppnar en väg för hållbart jordbruk genom att övervinna den nuvarande barriären för att avgöra vilka vilda linjer som har outnyttjade torka-anpassade egenskaper.
Detta är ofta svårt att fastställa eftersom de önskvärda egenskaperna kan vara olika beroende på avelsmål och odlingsplats.
Växter förlorar vatten genom en process som kallas transpiration, som sker via stomata, samma passager som tillåter koldioxid att komma in i bladytan.
Att använda samma in- och utgång innebär att det finns en oundviklig avvägning mellan att spara vatten och få tillräckligt med kol för att producera friska korn via fotosyntes.
Så vår screeningsteknik omfattar denna avvägning för att leta efter växter som kan uthärda långa perioder av vattenbrist, men ändå kan återuppta sund tillväxt när de väl har återfuktats.
Precis som i "Dune", där människor har anpassat sig för att hantera mycket torra förhållanden, har växter från ökenmiljöer utvecklat sina egna sätt att hantera torra förhållanden.
Om vi tänker på mänsklig svettning som växttranspiration, har växter som är väl anpassade till torra förhållanden utvecklat flera mekanismer som gör att de kan "svettas" mindre och spara vatten under torka, men ändå förbli mindre stressade och friska.
Vi använder data som samlats in från hyperspektral och termisk fjärranalysteknik för att skapa ett bildbaserat transpirationseffektivitetsindex (iTE), en parameter för växtförädling som är relativt lätt att tolka.
Med hjälp av iTE kan vi sedan identifiera de välanpassade linjerna som visar en så effektiv användning av vatten under torka och fortfarande kan upprätthålla sin förmåga att återuppta tillväxten.
Även om vi utvecklade iTE med vilda populationer i åtanke, kan dess tillämpning även sträcka sig till odlade kommersiella grödor.
Genom att övergå från traditionella urvalsmetoder som enbart fokuserar på avkastningsprestanda för val av kultivar, kan iTE-indexet integreras med klassiska toleransmätningar för att fatta mer omfattande och informerade beslut om de bästa vilda linjerna för avel.
I samarbete med Institutet för hållbart jordbruk i Spanien, IAS-CSIC, upptäckte vi ett starkt samband mellan en positiv förändring i iTE under torka förhållanden i förhållande till en välbevattnad kontroll, och avkastningsstabilitet i kommersiella vetesorter; ju större ökningen av iTE är, desto mindre blir avkastningsförlusterna.
Skördestabilitet indikerar hur väl en gröda bibehåller sin spannmålsskörd under torka jämfört med normala, välvattnade förhållanden. Men det finns olika anledningar till att vissa grödor håller sig bättre under torka.
Till exempel kan vissa växter fortsätta att fotosyntetisera effektivt, som vår forskning antyder, medan andra kan ha djupare rötter som kommer åt vatten långt under ytan.
De senare kan dyka upp som kallare baldakiner i termiska bilder eftersom de kan dra upp mer vatten, vilket gör att växten kan fortsätta att transpirera och sänker temperaturen.
Det är svårt att från ett fältförsök bekräfta om denna transpiration beror på djupa rötter eller om dessa växter helt enkelt håller sina porer (stomata) öppna, oavsett vattenbrist. Vår forskning bryter ner denna komplexitet för att förstå exakt hur grödor uppnår avkastningsstabilitet.
Genom att förstå de specifika sätten på vilket växter upprätthåller avkastningen i slutet av säsongen, kan vi utnyttja den underliggande genetiken mer effektivt.
När vi väl har identifierat lovande vilda linjer kommer nästa steg att vara att modifiera dem för att passa vanliga jordbruksmetoder genom en process som kallas de novo domesticering.
Denna metod påskyndar den process som människor har använt i tusentals år för att välja och odla bättre grödor. Istället för att vänta generationer använder vi avancerade förädlingstekniker för att snabbt lägga till de goda egenskaperna som är vanliga i domesticerade grödor direkt till de vilda, stresstoleranta växterna.
Dessa icke-transgena förädlingsmodifieringar ger grödor som är lättare att odla med standardhanteringsmetoder.
Genom att använda hyperspektral fjärranalys för att identifiera goda kandidater för vilda linjer och de novo domesticering för att göra dem tillgängliga och önskvärda för odlare, kan vi revolutionera utvecklingen av grödor, anpassa växter för det förändrade klimatet för att möta den växande globala efterfrågan på mat.
Mer information: Luis M. Guadarrama-Escobar et al, Tillbaka till framtiden för torktolerans, New Phytologist (2024). DOI:10.1111/nph.19619
Journalinformation: Ny fytolog
Tillhandahålls av University of Melbourne
