Дослідження «потаємних глибин» за допомогою сканера: як спостерігати за розвитком коренів?

В полі: Бенджамін Грубер готує сканер для підземного аналізу кореневої системи

В полі: Бенджамін Грубер готує сканер для підземного аналізу кореневої системи

Як проводити спостереження за розвитком коренів цукрових буряків на глибині 1,5 метри? Це досить просто. Все, що вам знадобиться – це широкий бур, довгі трубки з плексігласу, спеціальний сканер, програми для обробки зображень та згуртована дослідницька команда KWS.

Глибини океану, ймовірно, досліджені краще, ніж розгалужена коренева система рослин. Саме коренева система визначає здатність кукурудзи, цукрових буряків та інших культур поглинати вологу чи поживні речовини з ґрунту, а також їхню потребу в поливі та добривах. Таким чином, корені вимагають уваги при селекції нових посухостійкий та ефективно поглинаючих азот гібридів.

Оцінка толерантності рослин до абіотичних стресових факторів

В науково-дослідницькому відділі KWS австралієць Бенджамін Грубер з колегами вивчають способи спостереження за розвитком коренів, а також методи їх якісної та кількісної оцінки. Мета досліджень – в стиснуті терміни провести аналіз сотні рослин, щоб оцінити їх толерантність до таких абіотичних стресових факторів, як посуха чи дефіцит поживних речовин. Описана толерантність є однією з головних характеристик, які допомагають виявляти нові гени, які відповідають за стабільність урожаю та толерантність до посухи – саме цих властивостей селекціонери KWS намагаються надати культурам, які створюють.

Спостереження за коренями та їхнім розвитком – справа зовсім непроста: на ділянці всього в один квадратний метр корені зернових культур можуть досягати величини в 50-90 км (близько 40-60 км в кукурудзи та 20-50 км у цукрових буряків). Корені цукрових буряків заглиблюються майже на п’ять метрів, при цьому товщина кореневих волосків може бути тоншою за людське волосся. Як же отримати точну картину?

Викопати, промити, поміряти

Перевірений спосіб при роботі з кукурудзою порівняно прости і називається «методом повного розкопування», при якому рослину викопують разом з коренем і ретельно промивають від землі. Потім корінь оцінюють за допомогою камер та комп’ютерних програм. За допомогою численних знімків фахівці з біоінформатики та обробки зображень визначають кількість та товщину коренів та кут їхнього росту відносно стебла.

Дослідження глибин: сканер зникає під землею

Дослідження глибин: сканер зникає під землею

Окрім того, вивчається інформація про розгалуження головного та додаткових коренів і багато інших ознак. «Для цього досить візуальної оцінки однієї чи декількох рослин. Але щоб розробити ефективний інструмент селекції, необхідно проаналізувати сотні або навіть тисячі кореневих систем. Це можливо тільки за допомогою автоматизованих цифрових технологій», – каже Грубер. Для оцінки кореневої шийки його команда співпрацює з Юліхським дослідницьким центром. Серед партнерів KWS – університети, інститути та компанії з різних країн світу.

Знімки з глибин

Однак після розкопування досліджувана рослина більше непридатна. Значно ефективніше проводити безперервний моніторинг рослин в природніх умовах або на полі. За допомогою спеціального буру на полях цукрових буряків Грубер робить щілини. Потім вводить в ґрунт прозорі трубки, через які спеціальний сканер зафіксує ріст кореневої системи. Сканування коренів з інтервалом в декілька днів чи тижнів забезпечує безперервну візуалізацію з глибин.

Звучить просто, але для досягнення успішного результату необхідно неодноразові спроби, модифікації та доробки. Фахівці робочої групи KWS звикли до особливих завдань від Бенджаміна Грубера. «Працюючи самотужки, він не зміг би так далеко просунутися», – каже біотехнолог. Виїзний персонал допомагає свердлити отвори в ґрунті, декілька селекціонерів складають детальний опис бажаних характеристик рослин, а фахівці KWS з обробки зображень роблять оцінку кореневої системи. Сучасна селекція можлива тільки за умови взаємодії команди фахівців.

  • Люди в KWS

    “Дослідження кореневої системи відкривають величезний потенціал для селекційної діяльності.”

    Бенджамін Грубер, дослідник розвитку кореневої системи рослин
    kws_wurzelforscher_benjamin_gruber_portrait_auf_dem_feld.jpg

«Зараз KWS створює новий пакет інструментів для більш масштабної оцінки розвитку коренів. Ми досліджуємо нові та покращуємо методи, які вже гарно себе зарекомендували. Пізніше нам треба буде визначити, які рослини та генотипи краще себе поводять на певних ґрунтах та який обсяг поживних речовин та води вони споживають за вегетацію», – каже Грубер. Без сумніву, наша дослідницька діяльність вимагає часу та фінансування. Однак це інвестиції в майбутнє компанії, яка вже понад 160 років пропонує аграріям високоврожайні сорти та гібриди, та інвестує в дослідницьку діяльність близько 17% від товарообігу.

Селекція вимагає точних спостережень

Достовірні результати спостережень за характеристиками рослин з метою виявлення значимих для селекції ознак застосовуються протягом всієї історії розвитку сільського господарства. Так, наприклад, перші землероби відбирали для нових посівів найбільші зернини минулого врожаю. Грегор Мендель проводив спостереження за кольором та формою гороху, щоб на підставі отриманих результатів сформулювати закони спадковості. Під сукупністю помітних та вимірюваних характеристик рослин біологи розуміють фенотипи.

В своїх роботі Бенджамін Грубер застосовує підхід, який використовується в аналогічних проєктах KWS з фенотипування. Дослідники KWS збирають дані в польових умовах за допомогою камер, встановлених на дронах чи підземних сканерів. Потім зображення поступають на комп’ютер та автоматично аналізуються, щоб підбірати нові ключі до розгадки таємниць селекції. «Дослідження мають проводитись в промиcловому масштабі, незважаючи на вітер, дощ чи посуху, та не обмежуватися лабораторією з двадцятьма зразками. В процесі селекції постійно виникає багато запитань, на які треба давати відповіді, і саме тому нам доведеться дослідити тисячі рослин», – каже Грубер перед тем, як повернутися до статистичного аналізу отриманих даних.

Дізнайтеся більше

kws_italien_satellit_traktor_feld_rueckspiegel.jpg

Вища урожайність завдяки супутникам

Супутникові знімки дозволяють точно розпізнати ділянки та розрахувати норму висіву насіння на них. Ця інновація дозволяє аграріям збільшувати урожайність і вже застосовується в найбільшому молочному господарстві Італії.

KWS_header_world_of_farming.jpg

Точне землеробство: знімки з космосу допомагають вчасно почати збирання кукурудзи

Точне землеробство за допомогою супутників: з 2018 року KWS використовує унікальну в світі систему супутникових знімків для визначення оптимальної фази збирання кукурудзи на силос. За необхідності аграрії можуть отримати рекомендації для кожного поля безпосередньо через свій мобільний телефон.

kws_potatos.jpg

Насіння на заміну насіннєвій картоплі

На кону стоїть щось по-справжньому велике – це майбутнє картоплі, яка є одним з найважливіших продуктів харчування. Тільки в Німеччині споживання картоплі складає близько 60 кілограмів у рік на одну людину, а в Латвії – в двічі більше. Однак генетична структура картоплі ускладнює селекційні процеси. Щоб змінити ситуацію, KWS об’єднала зусилля з американською компанією Simplot, сімейним підприємством та провідною світовою компанією з переробки сільськогосподарської продукції.