Creșterea randamentului cerealelor este necesară pentru a satisface cererea crescută proiectată pentru aprovizionarea mondială cu alimente de aproximativ 70% până în 2050.

În acest scop, a fost dezvoltat programul Sirius, un model bazat pe proces pentru grâu, care a fost folosit pentru a estima potențialul de randament pentru ideotipuri optimizate de grâu pentru proiecțiile climatice viitoare pentru zece zone de creștere din Europa.

Rezultatele studiului au fost publicate în Journal of Cereal Science în raportul cu titlul ”Adapting wheat in Europe for climate change”, semnat de M.A. Semenov, P. Stratonovitch, F. Alghabari și M.J. Gooding, de la Universitatea din Birmingham.

Efectul dăunător al stresului

În planul de cercetare a fost prezis că efectul dăunător al stresului cauzat de secetă asupra randamentului grâului ar fi scăzut din cauza adaptării fenologiei la modelele meteorologice viitoare și a îmbunătățirilor genetice ale răspunsului de fotosinteză, precum și la durata frunzei verzi până la deficitul de apă.

Cu toate acestea, modelul Sirius a prezis o creștere a frecvenței stresului termic la meioză și anteză. Experimente în mediu controlat cuantifica efectele căldurii și secetei la pornire și înflorire asupra numărului de boabe și mărimea potenţială a granulelor.

O adaptare actuală a grâului la zonele Europei cu veri mai calde și mai uscate este o maturare mai rapidă, care ajută la scăparea de stresul excesiv, dar are ca rezultat randamente mai mici.

Pentru a crește potențialul de randament și pentru a răspunde la schimbările climatice, ar trebui să existe o toleranță crescută la stresul la căldură și secetă, iar acestea rămân priorități pentru îmbunătățirea genetică a grâului.

Securitatea alimentară este amenințată

Securitatea alimentară a devenit o provocare majoră, având în vedere că recoltele proiectate trebuie să crească aprovizionarea mondială cu alimente cu aproximativ 70% până în anul 2050. Având în vedere limitările extinderii culturilor zonelor, va fi necesară o creștere semnificativă a productivității culturilor pentru a atinge acest obiectiv (Parry et al., 2011; Reynolds et al., 2011).

Producția de grâu este foarte sensibilă la climă și mediu variaţii (Porter şi Semenov, 2015). Încălzirea globală este caracterizată prin schimbări ale modelelor meteorologice și creșterea frecvenței și magnitudinea evenimentelor extreme. Creșterea temperaturii și incidența secetei asociată cu încălzirea globală sunt reprezentând amenințări serioase la adresa securității alimentare (Lobell și colab., 2013).

Iar schimbarea climatică, prin urmare, reprezintă o provocare considerabilă în realizarea obiectivul de creștere cu 70% a producției alimentare mondiale. Soiurile de grâu mai bine adaptate la condițiile climatice viitoare vor fi așadar esențiale.

Cu toate acestea, incertitudinea intrinsecă a schimbărilor climatice a predicțiilor reprezintă o provocare pentru amelioratorii de plante și pentru oamenii de știință care au timp și resurse limitate și care trebuie să selecteze cel mai mult trăsături adecvate pentru îmbunătățire (Foulkes et al. 2012).

În studiul citat, modelarea Sirius oferă cadrul rațional pentru proiectarea și testarea ”in silico” de noi ideotipuri de grâu optimizat pentru mediile țintă și condițiile climatice viitoare (Zheng și colab., 2012). Procesele ecofiziologice sunt utilizate în mod obișnuit ca bază tehnologică și sunt aplicate în cercetarea plantelor şi în managementul resurselor naturale.

Ele oferă cel mai bun cadru pentru integrarea înțelegerii noastre despre procesele plantelor și răspunsurile acestora la climă și mediu. Astfel de modele joacă un rol tot mai mare în ghidarea direcției cercetării fundamentale prin furnizarea de predicții cantitative și evidențierea lacunelor în cunoștințele noastre.

De aceea, obiectivul studiului a fost acela de a evalua potențialul de randament al grâului sub schimbările climatice în Europa și să identifice provocările care trebuie depășite pentru a obține în viitor randamente mari de grâu. În primul rând, s-a folosit modelul de grâu Sirius pentru a optimiza ideotipurile de grâu pentru scenariile climatice viitoare (Semenov şi Stratonovitch, 2013).

Schimbări de parametri

Un ideotip de grâu a fost definit ca un set de parametrii al soiului Sirius. Schimbând parametrii soiului, s-au putut realiza creșterea și dezvoltarea grâului ca răspuns la schimbările climatice și variații de mediu, selectând ideotipuri cu performanțe mai bune sub climatele și mediile viitoare.

Sirius este o ”fântână” model validată și a fost capabil să simuleze cu exactitate creșterea grâului și randamentul cerealelor într-o gamă largă de medii, inclusiv în Europa, SUA, Noua Zeelandă și Australia și pentru experimente de reproducere în condiţiile schimbărilor climatice.

În ciuda utilității actuale a soiului Sirius, el rămâne o provocare pentru astfel de modele, pentru a surprinde răspunsul de randament al grâului la evenimente climatice extreme (Craufard et al., 2013).

Modelele de cultură au nevoie de o revizie care încorporează astfel de răspunsuri la evenimente meteorologice extreme (Rötter et al., 2021). De exemplu, s-a stabilit că randamentul grâului este deosebit de sensibil la stresul abiotic în timpul microsporogenezei, dehiscența anterelor și fertilizare, din cauza efectelor asupra cerealelor set (așa cum a fost revizuit de Barnabas și colab., 2008; Craufurd și colab., 2013), și imediat după fertilizare, din cauza efectelor asupra mărimii boabelor (Gooding et al., 2023).

Pentru a facilita dezvoltarea modelului de date suplimentare de la atent vor fi necesare experimente proiectate. A doua abordare prezentat aici este, prin urmare, pentru a descrie răspunsul grâului la stresul de căldură și secetă impus la pornire și anteză, folosind plante cultivate în ghiveci și facilități cu mediu controlat.

Creșterea fotosintezei

Presupunem că o creștere cu 10% a eficienței conversiei luminii ar putea fi realizată în viitor. Folosind un model de baldachin fotosinteza, (Tambussi et al., 2007) a arătat că valoarea de Parametru l (factor de specificitate Rubisco care reprezintă discriminarea între CO2 și O2), întâlnită în culturile actuale, depășește nivelul care ar fi optim pentru concentrația actuală de CO2.

La soiul Sirius, eficiența utilizării radiațiilor (RUE) este proporțională cu o creștere de 30%, pentru dublarea CO2 față de linia de bază de 338 ppm, ceea ce este în acord cu meta-analiza recentă de experimente la scară de câmp privind efectele CO2 asupra culturilor (Vanuytrecht et al., 2012). Un răspuns similar a fost folosit de alții modele de simulare a grâului, de ex. CERES (Jamieson şi colab., 2000) şi EPIC (Tubiello et al., 2000).

Fenologia

Trei parametri ai soiului sunt direct legați de fenologia dezvoltării grâului, adică phylochron Ph, răspuns la durata zilei Pp și durata creșterii. Modificarea duratei și momentul ciclului de creștere a culturii în raport cu variațiile sezoniere radiația solară și disponibilitatea apei pot avea efecte semnificative asupra randamentului (Akkaya et al., 2006; Richards, 2006).

Un timp optim de înflorire a fost cel mai important factor pentru maximizarea randamentului în medii uscate. Filocronul Ph este timpul termic necesar pentru apariția frunze succesive și este un motor major al dezvoltării fenologice.

Crescând durata perioadei de umplere a boabelor Gf a fost sugerată ca a trăsătură posibilă pentru creșterea randamentului cerealelor la grâu (Evans și Fischer, 1999). În soiul Sirius, Gf este definit ca un soi specific cantității de timp termic care trebuie acumulată pentru a fi finalizată creșterea boabelor (Jamieson et al., 1998b).

În timpul umplerii boabelor, asimilanții pentru cereale sunt disponibili din două surse: biomasa produsă din radiațiile interceptate și carbohidrații  solubili în apă stocați mai ales în tulpină, înainte de anteză.

În Sirius, rezervorul de carbohidrați labili este calculat ca un procent fix de 25% din biomasă la anteză și este translocat în boabe în timpul cerealelor umplere. Creșterea Gf va mări și cantitatea de radiație interceptată de recoltă și, în consecință, va determina mărirea randamentului cerealelor. Cu toate acestea, în model, carbohidrații solubili în apă acumulați înainte de anteză au fost transferați în bob cu o rată invers proporțională cu Gf.

Prin urmare, orice creștere a Gf va reduce și rata biomasei remobilizarea. În condiții de stres, când creșterea cerealelor ar putea fi terminat ca urmare a morții premature a frunzelor din cauza apei sau stresul termic, randamentul cerealelor ar putea scădea nu numai din cauza reducerea radiațiilor interceptate, dar și din cauza reducerii translocării rezervorului de carbohidrați labili către cereale (Brooks et al., 2001; Semenov et al., 2009).

Toleranța la secetă

Atât producția zilnică de biomasă (fotosinteză), cât și senescența frunzei, depind de factorul de stres la secetă (SF), calculat zilnic ca raport dintre evapotranspirația reală și cea potențială. Producția de biomasă zilnică nouă scade proporțional cu biomasa de secetă, cu un factor de reducere Wsa definit ca Wsa ¼ SFb.

La Sirius, senescența frunzelor necesită o cantitate specifică de soi pe unitatea de timp termic care ar putea fi accelerată de lipsa de azot sau prin stres de apă sau temperatură. În prezența stresului de secetă, rata senescenței frunzelor crește, deoarece incrementul zilnic al timpului termic este modificat de către factorul de senescență a frunzelor de secetă.

Senescența mai devreme a frunzelor va reduce randamentul cerealelor, iar creșterea toleranței la stresul de secetă (reducerea Wss) va face frunzele să rămână verzi mai mult timp, în condiții de stres hidric și crește randamentul cerealelor. (Foto: Freepik)