Новое открытие, опубликованное в журнале Nature Plants, противоречит широко принятой гипотезе о том, как изменение климата повлияет на производство продуктов питания, сказал профессор биологии растений Университета Иллинойса Эндрю Лики, возглавлявший новое исследование.«Если вы прочитаете самые последние отчеты Межправительственной группы экспертов по изменению климата и если вы прочитаете научную литературу по этому вопросу за последние 30 лет, заключительное утверждение почти всегда будет заключаться в том, что повышенный уровень углекислого газа уменьшит стресс от засухи для сельскохозяйственных культур», — сказал Лики.
Многочисленные лабораторные и полевые исследования подтвердили эту оценку: во многих сценариях повышенный уровень углекислого газа действует как удобрение, ускоряя рост растений. Растения, подвергающиеся воздействию высоких концентраций CO2, также уменьшают размер пор в листьях, уменьшая обмен газов с атмосферой. Это помогает растениям использовать меньше воды из почвы.Такие результаты убедительно свидетельствуют о том, что повышенный уровень CO2 поможет растениям лучше противостоять засухе, сказал Лики.
«Это соответствовало тому, что мы видели в наших собственных экспериментах в первые четыре года, относительно влажные годы», — сказал Лики. «Но когда вегетационный период был жарким и засушливым, эта закономерность нарушилась».Чтобы сделать это открытие, Лики и его коллеги использовали необычную технологию, которая позволяет им моделировать будущие климатические условия на реальных сельскохозяйственных полях.
На предприятии по обогащению свободного воздуха сои используются высокотехнологичные датчики для определения скорости и направления ветра, а также компьютер для регулирования выделения газов, позволяющих подвергать сельскохозяйственные растения воздействию заданного набора климатических условий.Исследователи обнаружили, что в жарких и сухих условиях при повышенном уровне CO2 растения в экспериментах с SoyFACE использовали больше, а не меньше воды, чем растения, выращенные в текущих атмосферных условиях.«Мы думаем, что происходит следующее: в начале вегетационного периода, когда у растения достаточно воды, оно способно больше фотосинтезировать в результате более высокого уровня CO2.
У него больше сахаров, с которыми можно играть, оно больше растет, оно создает все эта дополнительная листовая область, — сказал Лики. «Но когда оно высыхает, растение чрезмерно разрастается, поэтому в конце сезона оно теперь использует больше воды».Исследователи обнаружили, что две другие реакции растений также способствуют возникновению проблемы.«При повышенном уровне CO2 происходят изменения в определенных гормонах, которые растение использует для передачи сигналов между корнями и побегами», — сказал Лики. «Растение становится более чувствительным к этому сигналу при повышенном уровне CO2, и это приводит к большему снижению фотосинтеза в ответ на засуху, чем при уровне CO2 в окружающей среде».
Повышенный уровень CO2 и засуха вместе также влияют на способность сои связывать азот через клубеньки, образующиеся на ее корнях. В этих клубеньках содержатся бактерии, которые помогают растениям улавливать и преобразовывать атмосферный азот в форму, которую растения могут метаболизировать.
По словам Лики, при повышенном уровне CO2 и засухе количество полезных клубеньков на корнях сои увеличивается. «Но мы обнаружили, что они помещают все эти дополнительные клубеньки в относительно неглубокие слои почвы. И клубеньки не работают хорошо, когда они находятся в сухой почве».
Новые данные о соевых бобах, выращиваемых в одном из самых продуктивных регионов планеты, предполагают, что связанное с климатом снижение урожайности сои произойдет раньше, чем предполагалось ранее, сказал Лики.«Все прогнозы модели до этого момента предполагали, что в 2050 году повышенный уровень CO2 даст нам 15-процентное увеличение урожайности по сравнению с тем, что было в начале этого века», — сказал он. «И мы видим, что по мере того, как становится жарче и суше, это число уменьшается до нуля. Никакого усиления».
Лики — филиал Института геномной биологии Карла Р. Вёза в Иллинойсе.Это исследование профинансировали Национальный институт продовольствия и сельского хозяйства Министерства сельского хозяйства США, Министерство энергетики США и Служба сельскохозяйственных исследований Министерства сельского хозяйства США, а также подарок Дэвида Сигмана Соединенному Королевству в Урбана-Шампейн.