Исследование «тайных глубин» с помощью сканера: как наблюдать за ростом корней?

Глубины океана вероятно исследованы лучше, чем разветвленная корневая система растений. Именно корневая система определяет способность кукурузы, свеклы и других культур поглощать воду или питательные вещества из почвы, а также их потребность в поливе и удобрениях. Таким образом, корни требуют пристального внимания при селекции новых засухоустойчивых и эффективно поглощающих азот сортов.

Оценка устойчивости растений к стрессовым факторам

В научно-исследовательском отделе KWS австралиец Бенджамин Грубер с коллегами изучают способы наблюдения за ростом корней, а также методы их качественной и количественной оценки. Цель исследователей – в сжатый срок провести анализ сотни растений, чтобы оценить их устойчивость к таким абиотическим стрессовым факторам, как засуха или дефицит питательных веществ. Описанная устойчивость является одной из главных характеристик, помогающих выявлять новые гены, отвечающие за стабильность урожая и переносимость засухи – именно этими свойствами селекционеры KWS стремятся наделить создаваемые культуры.

Наблюдение за корнями и их ростом – совсем непростое дело: на участке всего в один квадратный метр корни зерновых могут достигать протяженности 50–90 км (около 40–60 км у кукурузы и 20–50 км у сахарной свеклы). Корни сахарной свеклы уходят вглубь почти на пять метров, при этом толщина корневых волосков может быть тоньше человеческого волоса. Как же получить точную картину?

Выкопать, промыть, оценить

Проверенный способ при работе с кукурузой сравнительно прост и носит название «метода полной раскопки», при котором растение выкапывают вместе с корнем и тщательно промывают от земли. Затем корень оценивают визуально со всех сторон с помощью камер и компьютерных программ. По многочисленным снимкам специалисты по биоинформатике и обработке изображений определяют количество и толщину корней и угол их роста по отношению к стеблю.

«В настоящее время KWS создает новый пакет инструментов для более масштабной оценки роста корней. Мы испытываем новые и улучшаем уже зарекомендовавшие себя методы. Позже нам потребуется определить, какие растения и генотипы характерны для определенного типа почв, и объем питательных веществ и воды, который они потребляют», – говорит Грубер. Несомненно, наша исследовательская деятельность требует времени и финансирования. Тем не менее это инвестиции в будущее компании, которая уже более 160 лет предлагает сельхозпроизводителям высокоурожайные сорта. KWS, будучи семейным предприятием, вкладывает в исследовательскую деятельность около 17% от дохода.

Селекция требует точных наблюдений

Достоверные результаты наблюдений за характеристиками растений с целью выявления значимых для селекции признаков применяются на протяжении всей истории развития сельского хозяйства. Так, например, первые земледельцы отбирали для новых посевов самые крупные зерна прошлого урожая. Грегор Мендель проводил наблюдения за цветом и формой гороха, чтобы на основании полученных результатов сформулировать законы наследственности. Под совокупностью различимых и измеряемых характеристик растений биологи понимают фенотипы.

В своей работе Бенджамин Грубер применяет подход, использующийся в аналогичных проектах KWS по фенотипированию. Исследователи KWS собирают данные в полевых условиях с помощью камер, установленных на дронах, или подземных сканеров. Затем изображения поступают на компьютер и автоматически анализируются, чтобы подобрать новые ключи к разгадке тайн селекции. «Исследования должны проводиться в промышленном масштабе, несмотря на ветер, дождь, грязь или засуху, и не ограничиваться лабораторией с 20 образцами. В ходе селекции постоянно возникает множество требующих ответа вопросов, именно поэтому нам предстоит исследовать тысячи растений», – говорит Грубер перед тем, как вернуться к статистическому анализу полученных данных.