Domande e risposte: Alla scoperta delle varietà di mais adatte ai climi futuri

Il mais è una delle colture più importanti del pianeta Terra. Non solo fornisce chicchi dolci per aromatizzare molti piatti, ma viene anche utilizzato negli oli, come dolcificante e come foraggio per il bestiame. Il mais è stato selezionato per massimizzare la sua produzione nelle aziende agricole di tutto il mondo.

Ma cosa accadrà nel contesto del cambiamento climatico? La ricerca condotta dall’Università di Washington ha combinato proiezioni climatiche e modelli di vegetazione per identificare la combinazione di tratti che potrebbero adattarsi meglio ai climi futuri. Lo studio ha utilizzato proiezioni meteorologiche e climatiche negli Stati Uniti nel 2050 e nel 2100 con un modello che simula la crescita del mais per trovare la combinazione di caratteristiche che produrrà il rendimento più elevato e affidabile nelle condizioni future in tutto il paese.

Accesso libero carta È stato pubblicato ad aprile sulla rivista Environmental Research Food Systems. UW News ha chiesto a un autore senior Abigail Cignoprofessore di scienze atmosferiche e biologia presso l’Università del Wisconsin, sullo studio e sui suoi risultati.

Il nostro clima futuro avrà aria più calda, aria più secca e una maggiore concentrazione di anidride carbonica nell’atmosfera. Esiste un’ampia comprensione di come tutti questi cambiamenti insieme influenzano la crescita delle piante?

Abigail Swan: Per l’atomo, a Studio precedente Il nostro gruppo ha scoperto che temperature più elevate e aria più secca hanno circa la stessa entità di effetto, ed entrambi si traducono in una minore produzione di mais, mentre una maggiore quantità di anidride carbonica disponibile per la fotosintesi aumenta la produzione. Tuttavia, l’aumento della produzione di CO2 non è stato sufficiente a compensare il calo causato dagli altri due cambiamenti, quindi la produttività del mais è complessivamente diminuita.

In generale, temperature più elevate come quelle che ci aspettiamo in futuro faranno sì che i raccolti crescano più velocemente ma saranno meno produttivi. Naturalmente, anche le variazioni delle precipitazioni influenzano la loro crescita in luoghi diversi, sebbene l’effetto sia generalmente minore, soprattutto per le colture agricole che dipendono dall’irrigazione.

Di solito, molte persone pensano che il cambiamento climatico sia qualcosa che cambierà i luoghi in cui possono crescere determinate colture. Il tuo studio afferma che le varietà di colture che coltiviamo oggi non sono ideali per il futuro. perché?

AS: Poiché il clima continua a riscaldarsi, possiamo adattarci spostando le varietà di colture più vicine ai poli, dove l’aria è più fresca. Ma spostare le varietà esistenti in nuovi luoghi non è sufficiente a compensare la perdita di produttività delle colture che ci aspetteremmo in un clima più caldo, perché gli effetti delle temperature più elevate sono molto dannosi.

Il nostro studio ha esaminato 100 potenziali varietà di mais e ha scoperto che quelle che avranno maggior successo in futuro non sono varietà di successo ora: abbiamo bisogno di nuove colture per il nuovo clima.

Puoi descrivere quale mais, secondo il tuo studio, avrà prestazioni migliori nei climi futuri rispetto alle varietà che danno le migliori prestazioni oggi?

R: Prima crescono le foglie della pianta del mais, poi si trasformano in chicchi in crescita. Abbiamo scoperto che le piante di mais odierne devono trovare un compromesso tra la coltivazione di molte foglie e il tempo sufficiente durante la stagione di crescita per produrre una grande quantità di grano. Ciò significa che le varietà di maggior successo di oggi non sviluppano molte foglie, quindi possono passare alla coltivazione dei cereali all’inizio della stagione.

Far crescere più foglie può consentire al mais di aumentare la quantità di fotosintesi che la pianta può fotosintetizzare, il che può anche aumentare la quantità di grano che può coltivare, ma oggi ciò avviene al prezzo di una stagione di crescita più breve.

In futuro, il clima sarà generalmente più caldo e il mais potrà essere piantato prima e raccolto più tardi nella stagione. La stagione di crescita più lunga del mais mitiga questo compromesso e gli consente di far crescere più foglie e di avere ancora tutto il tempo per coltivare i cereali (c’è un ulteriore impulso da una crescita più rapida a temperature più calde).

Quindi, in questo senso, anche le future piante di mais potranno avere la loro torta e mangiarsela. Le varietà che abbiamo simulato che sfruttavano la capacità di far crescere più foglie hanno prodotto di più nel clima futuro rispetto alle varietà con minore crescita delle foglie. Questa però non è una buona notizia per il mais. Mentre il mais sarà in grado di far crescere più foglie e avrà ancora tutto il tempo per coltivare i cereali, gli effetti negativi delle temperature calde e dell’aria più secca trascineranno la produzione complessiva. Far crescere più foglie e una stagione di crescita più lunga aiuta a mitigare questi effetti avversi, ma nel complesso, tutte le piante di mais che abbiamo simulato hanno avuto prestazioni peggiori nelle condizioni climatiche future.

Esiste un modo per verificare questi risultati su piante reali prima che queste condizioni climatiche diventino realtà?

AS: Anche se attualmente non esistono le piante che abbiamo scoperto che potrebbero adattarsi meglio alle condizioni climatiche future, piante con molte di queste caratteristiche possono essere riprodotte rapidamente, utilizzando tecniche genetiche come CRISPR. Possono quindi essere coltivati ​​in condizioni climatiche controllate per vedere se i nostri risultati reggono rispetto alle piante vere. Questa parte del processo è sorprendentemente veloce, quindi possiamo creare e sperimentare nuove varietà di piante prima che ne abbiamo bisogno.

Perché è utile utilizzare modelli computerizzati invece della semplice selezione selettiva come veniva fatto in passato?

AS: La creazione di nuove varietà di colture è un processo molto lento. Possono volerci decenni per passare dalla selezione iniziale alla sperimentazione e all’adozione da parte degli agricoltori. Il processo inizia con la selezione tra varietà di colture esistenti per ottenere le caratteristiche desiderate, inclusa l’elevata produttività. Queste nuove potenziali varietà vengono poi combinate, coltivate e testate in più ambienti e con gestioni diverse. Infine, le varietà finali vengono immesse sul mercato e possono quindi essere adottate dagli agricoltori.

Attraverso le simulazioni, possiamo testare una gamma molto più ampia di possibili combinazioni di caratteristiche che funzionerebbero bene con una nuova varietà e utilizzare tale conoscenza per guidare le prime fasi della selezione. Ciò potrebbe accelerare il processo riproduttivo e accelerare la nostra capacità di adattamento a un clima che cambia. Ci fornisce anche informazioni sulle proprietà che potremmo provare a creare che sono lontane dalle nostre classi esistenti.

Come si inserisce il vostro studio nel campo più ampio dell’adattamento climatico?

AS: Dovremo adattare l’agricoltura in molti modi per sostenere una popolazione in crescita man mano che la domanda di cibo aumenta, insieme alla perdita di produzione agricola che ci aspettiamo con il riscaldamento del clima. Il nostro studio aiuta a rilanciare la selezione di colture resilienti al clima immaginando come dovrebbero essere tali colture. Il nostro studio fornisce anche un modello su come eseguire questa analisi per altre specie di colture, oltre al mais.

Anche se in questo studio ci concentriamo sul mais, consideriamo il nostro lavoro come la prova di un approccio che può essere applicato a qualsiasi coltura, e quindi più che altro un modello su come incorporare gli impatti attesi del cambiamento climatico nella selezione di nuove varietà di colture.

Negli Stati Uniti abbiamo recentemente sentito parlare di stabilizzazione della popolazione dovuta al calo dei tassi di natalità e di un passaggio a diete a base vegetale a minore consumo di risorse. Può spiegare perché ci aspettiamo ancora un aumento della domanda di mais a livello mondiale?

AS: Le popolazioni di tutto il mondo sono ancora in crescita e, oltre alla crescita numerica complessiva, la popolazione mondiale sta diventando più ricca e sta aumentando il consumo di carne. Negli Stati Uniti, la nostra dieta è ad alta intensità di carne, quindi il passaggio a diete a base vegetale che richiedono meno risorse ha molto senso dal punto di vista della salute e dell’ambiente.

Ma il consumo di carne in molte parti del mondo è attualmente molto basso. Con l’aumento della ricchezza di questa popolazione, prevediamo che in alcuni casi il consumo di carne aumenterà. Questo aumento di ricchezza è positivo per il benessere di queste persone. Adattando l’agricoltura, speriamo di compensare le perdite di produzione previste dovute all’aumento delle temperature e di contribuire a fornire cibo a sufficienza per tutti.

Qual è il prossimo passo di questa ricerca?

AS: Vorremmo lavorare con gli allevatori per creare alcune delle varietà di mais suggerite dal nostro studio e condurre studi simili su altre importanti colture alimentari globali. Stiamo attualmente cercando ulteriori fonti di finanziamento per intraprendere questi prossimi passi.

Autore principale Jennifer Hsiao Ha svolto questo lavoro come parte del suo dottorato in biologia presso l’Università del Wisconsin. I coautori lo sono Quindi Hyung Kimprofessore di scienze ambientali e forestali all’Università del Wisconsin; Dennis Timlin Nel Dipartimento dell’Agricoltura degli Stati Uniti; E Nathaniel Mueller Alla Colorado State University. La ricerca è stata finanziata dalla National Science Foundation, dal Dipartimento dell’Agricoltura degli Stati Uniti e dall’Equity Research Fund dell’Università del Wisconsin.