Рост урожайности сои – одной из ключевых сельскохозяйственных культур мира – практически остановился из-за ограниченной генетической базы современных сортов. Решением может стать повышение эффективности фотосинтеза, считают авторы исследования, опубликованного в Theoretical and Applied Genetics. Для отбора перспективных генотипов они предлагают использовать дроны, геномный анализ и машинное обучение.
Соя, как и многие другие растения, крайне неэффективно преобразует солнечный свет в биомассу – всего на 2,4% при теоретическом максимуме до 5,1%. Для сравнения, кукуруза в оптимальных условиях показывает эффективность более 3,5%. Основная причина потерь у сои – процесс фотодыхания, из-за которого урожайность снижается на 20–40%. Другие факторы – медленная адаптация ферментов к смене освещённости и недостаточная подача углекислого газа к хлоропластам.
Ещё один резерв для роста урожайности – изменение архитектуры растений. У современных сортов сои слишком густая листва в верхней части, из-за чего верхние листья получают избыток света, а нижние – менее 10% от необходимого. В итоге верхние ярусы тратят энергию впустую, а нижние голодают. По оценкам исследователей, сорта с более узкими и прямостоячими листьями могли бы лучше пропускать свет вглубь кроны, что увеличило бы общую эффективность фотосинтеза на 5–10%.
Раньше отбирать растения по этим признакам было невозможно: ручные измерения фотосинтеза – долгий и трудоёмкий процесс, неприменимый в масштабах селекционных программ. Ситуацию изменили новые технологии. Беспилотники, оснащённые мультиспектральными, гиперспектральными и тепловизионными камерами, могут за один полёт оценить состояние тысяч растений на опытном поле. Полученные данные позволяют с высокой точностью прогнозировать фотосинтетическую активность.
Однако учёные подчёркивают, что генетика – не единственный фактор успеха. Эффективность фотосинтеза сильно зависит от условий окружающей среды и агротехники. Генотип, показывающий отличные результаты в одном регионе, может оказаться посредственным в другом. Поэтому для реализации потенциала новых сортов важны правильная плотность посева, борьба с сорняками и сбалансированное внесение удобрений.
Предложенная стратегия селекции объединяет геномный анализ с полевыми наблюдениями с дронов. Это позволит быстро отсеивать тысячи бесперспективных линий на ранних этапах и передавать на дорогостоящие сортоиспытания только 10–20% лучших образцов. По прогнозам авторов, комплексный подход, сочетающий улучшение биохимии листа и архитектуры растения, способен повысить эффективность использования солнечного света соей на 15–20%.