Эффективность использования воды

Эффективность использования воды (WUE) определяется отношением биомассы растения к воде , теряемой при транспирации , и может быть определена либо на уровне листа , либо на уровне всего растения, либо на уровне популяции/древостоя/поля:

• уровень листа: эффективность фотосинтетического использования воды (также называемая мгновенной эффективностью использования воды WUE _inst ), которая определяется как отношение скорости чистой ассимиляции углерода CO 2 (фотосинтез) к скорости транспирации или устьичной проводимости ^[1] , затем называется внутренней эффективностью использования воды ^[2] (iWUE или _Wi )
• Уровень растений: эффективность использования воды для повышения производительности (также называемая комплексной эффективностью использования воды или эффективностью транспирации, TE), которая обычно определяется как отношение произведенной сухой биомассы к скорости транспирации. ^[3]
• уровень поля: основан на измерениях потоков CO2 _и воды над полем сельскохозяйственных культур или лесом с использованием метода вихревой ковариации ^[4]

Исследования по повышению эффективности использования воды сельскохозяйственными культурами ведутся с начала 20-го века, однако при этом возникают трудности с фактическим получением сельскохозяйственных культур с повышенной эффективностью использования воды. ^[5]

Внутренняя эффективность использования воды W _i обычно увеличивается во время засухи почвы из-за закрытия устьиц и снижения транспирации, и поэтому часто связана с устойчивостью к засухе . Наблюдения нескольких авторов ^{[3] [6] [7] [8]} однако предполагают, что WUE скорее будет связана с различными стратегиями реагирования на засуху, где

• Растения с низким показателем WUE могут либо соответствовать стратегии засухоустойчивости , например, путем анатомической адаптации, снижающей уязвимость к ксилемной кавитации , либо стратегии избегания засухи/расхода воды посредством широкого исследования почвы корнями или стратегии избегания засухи за счет раннего цветения.
• в то время как растения с высоким показателем WUE могут соответствовать стратегии избежания засухи/сбережения воды за счет чувствительных к засухе ранних закрывающихся устьиц.

Повышение эффективности водопользования обычно упоминается как механизм реагирования растений на умеренный или сильный дефицит почвенной влаги и находится в центре внимания многих программ, направленных на повышение устойчивости сельскохозяйственных культур к засухе . ^[9] Однако существуют некоторые сомнения относительно пользы повышения эффективности водопользования растений в сельскохозяйственных системах , поскольку процессы повышения урожайности и снижения потерь воды из-за транспирации (то есть основного фактора повышения эффективности водопользования) принципиально противоположны. ^{[10] [11]} Если бы существовала ситуация, когда дефицит воды вызывал более низкие скорости транспирации без одновременного снижения скорости фотосинтеза и производства биомассы, то эффективность водопользования была бы значительно улучшена и стала бы желаемой чертой в производстве сельскохозяйственных культур .

Эффективность использования воды также является хорошо изученным признаком в экологии растений , где она использовалась уже в начале 20-го века для изучения экологических потребностей травянистых растений ^[12] или лесных деревьев [ ^13] и используется до сих пор, например, в связи с ограничением роста деревьев, вызванным засухой ^[14].

Ссылки

1. Фаркухар, ГД; Рашке, К. (1978). «О сопротивлении транспирации мест испарения внутри листа». Физиология растений . 61 (6): 1000–1005. doi :10.1104/pp.61.6.1000. PMC 1092028.  PMID 16660404  .
2. Meinzer, FC, Ingamells, JL, Crisosto, C. (1991). «Распознавание изотопов углерода коррелирует с урожайностью зерен различных популяций саженцев кофе». HortScience . 26 (11): 1413–1414. doi :10.21273/HORTSCI.26.11.1413.
3. Максимов, NA (1929). Растение в отношении к воде . George Allen & Unwin LTD London.
4. Tallec, T.; Béziat, P.; Jarosz, N.; Rivalland, V.; Ceschia, E. (2013). «Эффективность использования воды сельскохозяйственными культурами в умеренном климате: сравнение насаждений, экосистемных и агрономических подходов». Сельскохозяйственная и лесная метеорология . 168 : 69–81. Bibcode : 2013AgFM..168...69T. doi : 10.1016/j.agrformet.2012.07.008.
5. Вадес, В.; Холова, Дж.; Медина, С.; Каккера, А.; Андерберг, Х. (2014). «Эффективность транспирации: новое понимание старой истории». Журнал экспериментальной ботаники . 65 (21): 6141–6153. doi :10.1093/jxb/eru040. PMID  24600020.
6. Элерингер, Дж. Р. (1993). «Изменение в различении изотопов углерода листьев у Encelia farinosa: последствия для конкуренции за рост и выживания при засухе». Oecologia . 95 (3): 340–346. Bibcode : 1993Oecol..95..340E. doi : 10.1007/BF00320986. ISSN  0029-8549. PMID  28314008.
7. Kenney, AM, McKay, JK, Richards, JH, Juenger, TE (2014). «Прямой и косвенный отбор по времени цветения, эффективности использования воды (WUE, δ13C) и пластичности WUE к засухе у Arabidopsis thaliana». Ecology and Evolution . 4 (23): 4505–4521. Bibcode : 2014EcoEv...4.4505K. doi : 10.1002/ece3.1270. ISSN  2045-7758. PMC 4264900. PMID 25512847  . 
8. Кампителли, BE, Де Маре, DL, Юнгер, TE (февраль 2016 г.). «Экологические взаимодействия и эффект приспособленности эффективности водопользования: конкуренция и засуха изменяют воздействие природных аллелей MPK12 у Arabidopsis». Ecology Letters . 19 (4): 424–434. Bibcode : 2016EcolL..19..424C. doi : 10.1111/ele.12575. ISSN  1461-023X. PMID  26868103.
9. Кондон, АГ, Ричардс, РА, Ребетцке, ГДж, Фаркухар, ГД (2004). «Селекция для высокой эффективности использования воды». Журнал экспериментальной ботаники . 55 (407): 2447–2460. doi :10.1093/jxb/erh277. ISSN  0022-0957. PMID  15475373.
10. Бэкон, М. Эффективность использования воды в биологии растений. Оксфорд: Blackwell Publishing Ltd., 2004. ISBN 1-4051-1434-7 . Печать. 
11. Блюм, А. (2009). «Эффективное использование воды (EUW), а не эффективность использования воды (WUE) является целью повышения урожайности в условиях засухи». Field Crops Research . 112 (2–3): 119–123. Bibcode : 2009FCrRe.112..119B. doi : 10.1016/j.fcr.2009.03.009.
12. Ильин, В. (1916). «Отношение транспирации к ассимиляции у степных растений». Журнал экологии . 4 (2): 65–82. Bibcode :1916JEcol...4...65I. doi :10.2307/2255326. JSTOR  2255326.
13. Бейтс, К. Г. (1923). «Физиологические требования деревьев Скалистых гор». Журнал сельскохозяйственных исследований . 24 : 97–164.[1]
14. Линарес, Дж. К.; Камареро, Дж. Дж. (2012). «От модели к процессу: связывание внутренней эффективности водопользования с сокращением лесов из-за засухи». Биология глобальных изменений . 18 (3): 1000–1015. Bibcode : 2012GCBio..18.1000L. doi : 10.1111/j.1365-2486.2011.02566.x.

Дальнейшее чтение

• Вадес, В., Холова, Дж., Медина, С., Каккера, А., Андерберг, Х. (2014). «Эффективность транспирации: новое понимание старой истории». Журнал экспериментальной ботаники . 65 (21): 6141–6153. doi :10.1093/jxb/eru040. ISSN  1460-2431.
• Lambers, H.; Chapin, FS; Pons, TL (2008). Физиологическая экология растений. Нью-Йорк: Springer. ISBN 9780387783413.
• Тамбусси, EA; Борт, Дж.; Араус, Дж. Л. (2007). «Эффективность использования воды злаками C3 в условиях Средиземноморья: обзор физиологических аспектов». Annals of Applied Biology . 150 (3): 307–321. doi :10.1111/j.1744-7348.2007.00143.x.
• Condon, AG, Richards, RA, Rebetzke, GJ, Farquhar, GD (2004). «Селекция для высокой эффективности использования воды». Journal of Experimental Botany . 55 (407): 2447–2460. doi :10.1093/jxb/erh277. ISSN  0022-0957. PMID  15475373.
• Cregg, BM (2004). «Повышение засухоустойчивости деревьев: теоретические и практические соображения». Acta Horticulturae . 630 (630): 147–158. doi :10.17660/ActaHortic.2004.630.18. ISSN  0567-7572.