"Korzenie" lepszych zbiorów

Aby można było wyżywić wszystkich ludzi, produkcję roślinną należy podwoić, jednocześnie niwelując konsekwencje zmian klimatu, takie jak ograniczenie dostępu do wody w wielu regionach świata, i dążąc do zmniejszenia negatywnych skutków stosowania nawozów rolniczych.

Potrzebujemy upraw roślin spożywczych, które będą dawać lepsze plony dzięki lepszemu dostępowi do wody i efektywniejszemu wchłanianiu wody i składników pokarmowych. "Od 10 000 lat rolnictwo skupiało się na górnej połowie roślin" – wyjaśnia prof. Bennett. Ale sekret dobrych plonów kryje się pod ziemią.

Woda i azotany wnikają głęboko w glebę, a fosforany zatrzymują się w pobliżu powierzchni, w górnej warstwie gleby. Jeśli możemy dobierać i hodować odmiany roślin, które będą skuteczniej pobierać środki odżywcze z wierzchniej warstwy gleby, a jednocześnie ich korzenie będą głębiej penetrować glebę, uprawy tych roślin będą dawać więcej żywności, dzięki czemu będzie można zmniejszyć ilość potrzebnych nawozów.

Jest to swego rodzaju "problem inżynierski", ale aby go rozwiązać, musimy zrozumieć geny, które regulują cechy korzeni, takie jak kąt, głębokość i gęstość.

Badanie systemu korzeniowego – "ukrytej połowy" – jest znacznie bardziej skomplikowane niż badanie nadziemnej części rośliny. Rośliny można uprawiać w sztucznych warunkach w laboratorium, można je też wykopać z ziemi, ale korzenie żywej rośliny znajdują się pod ziemią i są trudno dostępne. "Projekt FUTUREROOTS ma na celu udoskonalenie technologii pomiaru i analizy systemów korzeniowych" – mówi prof. Bennett.

Ostatnio naukowcy zdołali uzyskać nieinwazyjnie obrazy żywych korzeni, wciąż rosnących w glebie. Rentgenowska tomografia komputerowa (CT), nazywana w żargonie medycznym po prostu tomografią, umożliwia uzyskanie obrazów wnętrza ludzkiego ciała. Dzięki postępom w technologii możliwe stało się zastosowanie tomografii do badań nawet najdrobniejszych z włośników.

"Ale do tej pory mogliśmy skanować tomografem tylko małe ilości gleby" – wyjaśnia profesor – "odpowiadające na przykład wielkości filiżanki, a to za mało, aby można było badać głębokie korzenie roślin uprawnych".

Obraz rentgenowski

Rozwiązanie uzyskano dzięki postępom w technologii tomografii komputerowej w przemyśle lotniczym: tomograf wielkości pokoju, używany do badania części silnika i skrzydeł, może skanować próbki gleby o długości 1 metra, średnicy 0,25 m i masie do 80 kg.

"Dzięki dofinansowaniu z Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych, Fundacji Wolfson i Uniwersytetu w Nottingham mogliśmy stworzyć unikatowy ośrodek specjalizujący się w obrazowaniu korzeni: Hounsfield Facility" – wyjaśnia prof. Bennett. Grant ERBN sfinansował nowy skaner rentgenowski, który tworzy obrazy 3D całej sieci korzeni roślin rosnących w glebie w ultranowoczesnej, w pełni zautomatyzowanej szklarni.

"Budynek został ukończony w lipcu, zaledwie 12 miesięcy po uruchomieniu projektu" – kontynuuje prof. Bennett. "Urządzenia przyjadą do nas jesienią tego roku i będą mogły działać już w styczniu".

Korzenie problemu sięgają głęboko

Gleba jest niejednorodna, ma trójwymiarową, złożoną budowę, z wodą i składnikami pokarmowymi rozsianymi w całej jej objętości. Tomograf komputerowy może ukazać wodę, glebę i korzenie, ale wyświetla je jako serię "plastrów" gleby, rentgenowskich przekrojów z korzeniem widocznym tylko jako punkt w miejscu, w którym przechodzi przez przekrój.

"Nasze zadanie polega na zrekonstruowaniu korzeni z tych przekrojów" – wyjaśnia prof. Bennett. "Udało się nam dostosować metodę śledzenia obiektu – stosowaną w branży bezpieczeństwa do wyszukiwania podejrzanych poruszających się wśród tłumu – do rozpoznawania i śledzenia poszczególnych odgałęzień korzeni i "oddzielenia" od nich gleby".

Prof. Bennett jest również dyrektorem Centrum Biologii Integracyjnej roślin (CPIB) na Uniwersytecie w Nottingham, interdyscyplinarnego ośrodka, w którym współpracują ze sobą matematycy, inżynierowie i informatyce, a także naukowcy specjalizujący się w badaniu roślin i gleby.

"To multidyscyplinarne środowisko naprawdę otworzyło nas na różnorodne wpływy – jest to fantastyczny tygiel wielu branż" – podkreśla. "Aby zrealizować ten ambitny projekt, musimy współpracować z przedstawicielami każdej z dziedzin – od inżynierów oprogramowania po biologów zajmujących się roślinami. W zespole badawczym ERBN jest nas dwadzieścioro, a sześciu doktorantów jest współfinansowanych przez ERBN i uniwersytet".

Centrum współpracuje z wieloma międzynarodowymi instytucjami, m.in. z Institut de Recherche pour le Développement (IRD) w Montpellier we Francji, a także z prof. Jonathanem Lynchem ze Stanów Zjednoczonych, pionierem "drugiej zielonej rewolucji". Celem jest zapewnienie lepszych plonów zarówno dla Europy, jak i dla krajów rozwijających się.

"Badamy również nieznane do tej pory mechanizmy, za pomocą których korzenie szukają wody" – podsumowuje Bennett. "A jeśli to pomoże nam stworzyć nowe odmiany roślin uprawnych, dające wydajniejszy plon w trudnych warunkach i skuteczniej wykorzystujące składniki pokarmowe w glebie, wywrze to realny wpływ na rolnictwo".

- Źródło: Prof. Malcolm Bennett
- Koordynator projektu: Uniwersytet w Nottingham, Zjednoczone Królestwo
- Tytuł projektu: Przekształcanie systemów korzeniowych w celu polepszenia wydajności upraw
- Akronim projektu: FUTUREROOTS
- strona internetowa projektu FUTUREROOTS
- Siódmy program ramowy (7PR) (Nabór wniosków do ERBN): Grant dla doświadczonych naukowców 2011
- Finansowanie przez KE 3 500 000 EUR
- Czas trwania projektu: 5 lat

Wybrane publikacje:

Developing X-ray Computed Tomography to non-invasively image 3-D root systems architecture in soil. Plant and Soil Mooney SJ, Pridmore T.P., Helliwell J., Bennett M.J. (2012) vol. 352, 1–22
RooTrak: Automated recovery of 3D plant root architecture in soil from x-ray micro computed tomography using visual tracking. Plant Physiology Mairhofer S., Zappala S., Tracy S., Sturrock C., Bennett M., Mooney S., Pridmore T. (2012) 158, 561–569