우리가 의존하는 많은 작물은 수분을 통해 식량을 생산해야 하지만 극심한 더위는 꽃가루를 파괴할 수 있습니다. 그래서 과학자들은 해결책을 찾고 있습니다. 지난 6월, Aaron Flansburg는 기온 급상승을 느꼈고 이것이 자신의 카놀라 작물에 어떤 의미인지 깨달았습니다. 미국 북서부 워싱턴 주의 5대째 농부인 플란스버그(Flansburg)는 초여름의 선선한 주에 꽃이 피기 위해 캐놀라를 심는 시간을 곱합니다. 그러나 작년에 그의 밭은 꽃이 피자마자 108F(42C) 더위를 맞았습니다. "우리 지역이 6월에 이와 같은 온도를 갖는다는 것은 사실상 전례가 없는 일입니다."라고 그는 말합니다.
노란 꽃이 무더위를 피하고 번식이 중단되었으며 카놀라유를 얻기 위해 눌러야 할 많은 씨앗이 형성되지 않았습니다. Flansburg는 에이커당 약 600-800파운드(272-363kg)를 생산했습니다. 작년에 이상적인 기상 조건에서 그는 에이커당 1,225kg에 달했습니다.
이 좋지 않은 수확에 많은 요인이 기여했을 것입니다. 재배 기간 내내 더위와 가뭄이 지속되었습니다. 그러나 한 가지 점은 과학자들에게 놀라울 정도로 분명해지고 있습니다. 열은 꽃가루를 죽이는 요인입니다.
물이 충분하더라도 열은 꽃가루를 손상시키고 옥수수 , 땅콩 , 쌀 을 포함한 카놀라 및 기타 많은 작물의 수정을 방해 할 수 있습니다 . 이러한 이유로 많은 농부들은 기온이 오르기 전에 작물이 개화하는 것을 목표로 합니다.
그러나 기후 변화로 인해 전 세계 지역에서 온도가 32C(90F) 이상에 도달하는 날이 늘어나고 극심한 더위 가 며칠 동안 지속되는 경우가 많아 지면서 그 타이밍을 맞추는 것이 불가능하지는 않더라도 어려울 수 있습니다.
더 따뜻한 미래에 직면하여 연구자들은 꽃가루가 더위를 이기는 데 도움이 되는 방법을 찾고 있습니다. 그들은 더 많은 내열성 품종과 더위가 오기 전에 겨울을 견디고 꽃을 피울 수 있는 번식 품종으로 이어질 수 있는 유전자를 발견하고 있습니다. 그들은 꽃가루의 정확한 한계를 조사하고 날씨가 좋아지면 작물에 직접 뿌리기 위해 대규모로 꽃가루를 수확하기도 합니다.
위태로운 것은 우리 식단의 많은 부분입니다. 우리가 먹는 모든 씨앗, 곡물, 과일은 수분의 직접적인 산물이라고 노스캐롤라이나 웨이크 포레스트 대학의 생화학자 글로리아 무데이는 설명합니다. "중요한 매개변수는 번식 중 최대 온도입니다."라고 그녀는 말합니다.
씨앗의 생성은 꽃가루 알갱이가 식물의 수컷 생식기(수술)의 꽃밥을 떠나 암컷 생식기(암술)의 끈적한 암술머리에 착지하여 관이 자라기 시작할 때 시작됩니다. 이 관은 암술머리를 통해 자라는 단일 세포에 의해 형성되며 스타일이라고 하는 줄기를 따라 궁극적으로 난소에 도달하여 꽃가루 알갱이의 유전 물질을 전달합니다.
꽃가루 관 성장은 식물 세계에서 세포 성장의 가장 빠른 예 중 하나라고 Iowa State University의 농학 명예 교수인 Mark Westgate는 말합니다. "시간당 1센티미터(0.4인치)까지 자라는데, 이는 믿을 수 없을 정도로 빠릅니다."라고 그는 말합니다.
그러한 클립에서 성장하려면 에너지가 필요합니다. 그러나 많은 작물의 경우 약 90F(32C)에서 시작하는 온도에서 꽃가루 곡물의 신진대사를 촉진하는 단백질이 분해되기 시작한다고 Westgate는 말합니다.
사실, 열은 관 성장뿐만 아니라 꽃가루 발달의 다른 단계도 방해합니다 . 결과: 꽃가루 알갱이가 형성되지 않거나 터지거나, 튜브를 생성하지 못하거나, 폭발하는 튜브를 생성할 수 있습니다.
모든 품종이 열에 똑같이 민감한 것은 아닙니다. 실제로, 연구자들은 여전히 일부 작물 품종의 꽃가루가 살아남는 반면 다른 품종의 꽃가루는 죽게 하는 분자 메커니즘을 연구하고 있습니다.
예를 들어, 2021년에 미국에서만 274,000에이커 (1,109sq km)의 노지 를 덮은 토마토의 많은 품종에서 비료는 열에 민감한 것으로 악명이 높습니다 . 노스캐롤라이나 토마토 재배자 협회 회장인 Randall Patterson은 날씨가 너무 더워지면 "꽃가루가 타버릴 것"이라고 말했습니다.
Patterson은 70F(21C) 아래에서 가장 긴 밤과 90F(32C) 아래에서 가장 긴 시간 동안 토마토 재배 시간을 조정합니다. 일반적으로 그는 2개의 연간 성장 시즌마다 날씨가 협력하는 3-5주의 기간을 갖습니다. "더 더워지고 70도가 넘는 밤이 더 많아지면 창문이 닫힐 것입니다."라고 그는 말합니다.
Muday는 그 창문을 열어 두는 단서를 전달할 수 있는 돌연변이 토마토 식물의 꽃가루를 연구합니다. 2018년 그녀의 팀은 플라보놀로 알려진 항산화제가 반응성 산소종(ROS)이라고 하는 반응성이 높은 산소 함유 분자를 억제하는 데 중요한 역할을 한다고 보고했습니다 . 그렇지 않으면 고온에서 파괴적인 수준으로 증가합니다.
희망은 육종가들이 이 유전자를 새롭고 더 탄력 있는 토마토에 통합할 수 있다는 것입니다.
Muday는 이제 토마토 꽃가루가 폭염을 견디는 데 도움이 될 수 있는 분자 메커니즘과 기본 유전자를 밝히는 것을 목표로 하는 여러 대학 팀의 일원입니다. 희망은 육종가들이 이 유전자를 새롭고 더 탄력 있는 토마토에 통합할 수 있다는 것입니다.
그녀의 초기 연구에서 얻은 통찰력은 이미 Muday가 특히 높은 수준의 플라보놀을 생산하는 토마토를 개발하는 데 도움이 되었습니다. "그들은 고온 스트레스를 잘 다루는 것으로 보입니다."라고 그녀는 말합니다.
궁극적으로 Muday는 더위에서 꽃가루 죽음으로 가는 경로에 플라보놀과 ROS 외에도 많은 플레이어가 관련되어 있으며 잠재적으로 수정해야 할 대상이 많다는 것을 알게 될 것으로 예상합니다.
한편, 토마토 및 기타 작물의 육종가들은 이미 열을 더 잘 처리할 수 있는 품종을 개발하기 위해 노력하고 있습니다. "태평양 북서부나 산악 지역 또는 고원지대의 농부들이 완두콩을 재배할 예정이고 기후가 더 따뜻해지면 더위를 잘 견디는 완두콩이 있어야 합니다." 워싱턴 풀먼에 있는 미국 농무부 농업 연구 서비스의 유전학자 레베카 맥기(Rebecca McGee).
걸쭉한 수프를 의미 하는 라틴어 "puls" 에서 이름을 따온 두류 작물 에는 말린 콩, 완두콩, 렌즈콩, 병아리콩이 포함됩니다. 이 식물은 많은 수분이 필요하지 않습니다. 그러나 온도가 너무 뜨거워지면 꽃가루가 중단된다고 USA Dry Pea and Lentil Council의 연구 부사장인 Todd Scholz는 말합니다. 작년에 Flansburg의 작물을 강타했던 동일한 폭염이 콩류 식물을 죽였습니다. 렌틸콩과 마른 완두콩 수확량은 평균 생산량의 약 절반으로 떨어졌고 병아리콩은 60% 이상 떨어졌습니다.
McGee는 고온에 더 잘 견디도록 완두콩과 렌즈콩을 사육하고 있습니다. 그러나 다른 프로젝트에서 그녀는 추위를 견딜 수 있는 작물을 재배하는 다른 다소 직관적이지 않은 접근 방식을 취하고 있습니다.
미국 북부에서 재배자들은 일반적으로 봄에 콩류 작물을 심습니다. McGee는 가을에 파종되는 완두콩, 렌즈콩, 병아리콩을 재배하고 있습니다. 아이디어는 이 품종이 겨울을 살아남은 다음 여름 초에 개화를 시작하여 폭염이 발생하기 전에 성공적으로 수분할 수 있는 기회를 제공한다는 것입니다.
작년에 McGee는 자신의 지역에서 가을에 파종된 식품 품질의 완두콩 품종 3종을 한정 수량으로 종자 생산자에게 출시했습니다. 그녀는 봄에 파종한 대부분의 완두콩보다 약 2주 일찍 꽃이 피고 수확량이 두 배라고 말합니다. 물론 이러한 작물은 더위가 오기 전에 꽃이 피도록 보장되지 않습니다. McGee는 "하지만 그렇게 걱정할 필요는 없습니다"라고 말합니다.
Michigan State University에서 Jenna Walters는 온도가 과일 작물의 꽃가루와 수분 매개체에 미치는 영향을 연구하고 있습니다. 2018년 현충일 주말에 미시간 남서부의 기온은 섭씨 95도(섭씨 35도)에 머물렀고 블루베리 덤불의 섬세한 흰색 꽃송이 사이로 벌들이 윙윙거렸습니다. 수확이 되자 많은 열매가 평소보다 작거나 완전히 형성되지 않았습니다. 연간 평균 약 1억 파운드(45,359톤)의 블루베리를 생산하는 주에서 재배자들은 6,600만 파운드(29,937톤)만 수확했습니다.
곤충학 및 생태학, 진화 및 행동학에서 이중 학위를 취득한 박사 과정 후보자 Walters는 정확히 무엇이 잘못되었는지 조사하고 있습니다. 그녀는 먼저 블루베리 꽃가루 알갱이의 열 한계를 정확히 찾아내어 페트리 접시의 꽃가루를 다양한 온도에 노출시키고 24시간 동안 꽃가루를 모니터링했습니다. 아직 발표되지 않은 그녀의 결과에 따르면 섭씨 95도(섭씨 35도) 이상의 온도에서는 블루베리 꽃가루 관이 자라지 않습니다.
Walters는 또한 꽃가루 알갱이를 99.5F(37.5C)의 온도에 4시간 동안 노출시킨 다음 온도를 20시간 동안 77F(25C)로 낮추어 급성 폭염을 시뮬레이션했습니다. "기본적으로 반환은 없습니다."라고 Walters는 말합니다. "[열]에 4시간만 노출되면 영구적인 손상을 입을 수 있습니다."
그녀는 이제 다른 온도로 설정된 성장 챔버의 실제 블루베리 덤불에서 이러한 결과를 확인하고 있습니다. 그녀는 연구 결과가 유효하다면 95F(35C)가 재배자들이 주기적으로 분무 시스템을 켜서 논을 식힐 수 있다고 말합니다. 그러나 그들은 절충점을 고려해야 합니다.
"많은 병원균이 높은 습도나 물, 특히 개화기에 퍼집니다."라고 그녀는 말합니다. 그리고 분무기가 켜져 있을 때 대부분의 꽃가루 매개자는 방문하지 않을 것입니다.
과열된 블루베리 덤불이 시간이 지남에 따라 블루베리 수분 매개체를 감소시킬 수도 있다고 Walters는 말합니다. 그녀와 그녀의 동료들은 열 스트레스를 받은 꽃가루와 스트레스를 받지 않은 꽃가루의 영양 함량을 비교하여 꿀벌의 건강에 중요할 수 있는 단백질, 탄수화물 및 기타 요인의 차이를 찾고 있습니다.
[열] 4시간만 노출해도 영구적인 손상 - Jenna Walters
올해 그녀는 6 x 12피트(1.8mx 3.7m) 메쉬 벽 케이지 8개를 각각 24개 이상의 화분에 심은 블루베리 덤불과 많은 꿀벌 종 중 하나인 암컷 블루 과수원 몇 마리로 채울 것입니다. 블루베리 꽃을 수분시키는 것입니다. 4~5주 동안 하루에 4시간씩, 그녀는 새장 안에 앉아 꿀벌이 알을 낳고 덤불에서 꽃가루를 찾는 것을 지켜볼 것입니다. 그들의 꽃.
월터스는 열이 꽃가루를 파괴할 경우 영양 스트레스로 인해 암컷이 수컷 알을 더 많이 만들어 꽃가루가 덜 필요하다는 것이 우려된다고 말합니다. 그러나 블루베리 재배자에게는 수컷 블루베리 재배자에게 덜 유용합니다. 암컷만이 수분을 하고 알을 낳아 다음 세대를 시작하기 때문입니다. 월터스는 꽃가루 손실을 보상하기 위해 재배자들이 열에 더 강하고 꽃가루 매개자에게 추가 영양소를 제공할 수 있는 야생화 조각을 심는 것을 고려할 수 있다고 말합니다.
또한 몇 가지 기술적인 수정 사항이 있습니다. Westgate는 104F (40C) 이상의 온도에서 꽃가루가 실패하는 작물인 잡종 옥수수 종자 생산자를 위한 수분 개선에 중점을 둔 아이오와에 기반을 둔 농업 기술 회사인 PowerPollen 의 최고 과학 책임자 입니다.
트랙터에 부착된 술을 흔드는 수집 장치를 사용하여 회사는 들판에서 대량의 익은 꽃가루를 수집한 다음 통제된 환경에서 살아있는 꽃가루 알갱이를 저장합니다. PowerPollen은 기상 조건이 수정을 선호할 때 해당 꽃가루를 적용하기 위해 반환됩니다(일반적으로 수집 후 5일 이내에). 창문은 작게 들리지만 농부들이 특히 더운 날을 피할 수 있게 해줍니다. 회사는 이 기간을 연장하고 이 기술을 다른 작물에 적용하기 위해 노력하고 있습니다.
어떤 사람들에게는 더 간단한 해결책이 작물을 완전히 바꾸는 것일 수 있습니다. "열대 기후에서 자라는 콩류가 있으므로 다른 품종을 선택해야 할 수도 있습니다."라고 Dry Pea and Lentil Council의 Scholz는 말합니다. 그러나 파바 콩과 검은 눈 완두콩과 같이 더위에 견디는 일부 콩은 태평양 북서부의 건조 지역 농부들이 공급할 수 있는 것보다 더 많은 수분이 필요하다고 그는 지적합니다.
워싱턴의 플란스버그는 교체를 원하지 않습니다. 그는 번식 노력이 가족이 여러 세대에 걸쳐 경작해온 캐놀라와 기타 작물을 계속 재배하는 데 도움이 될 것이라는 희망을 가지고 있습니다. 그럼에도 그는 미래를 걱정한다. "사람들을 계속 먹여살릴 수 있으려면 기후 변화에 대한 전반적인 그림이 있습니다. 우리가 해결하고 처리해야 하는 문제입니다." "식물이 견딜 수 있는 열량에는 한계가 있습니다."
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