Pollen and warmth: A looming problem for international agriculture

With a hotter future looming, researchers are searching for methods to assist pollen beat the warmth. They’re discovering genes that might result in extra heat-tolerant varieties and cultivars that may survive winters and flowers earlier than warmth stroke happens. They’re learning the exact limits of pollen and even harvesting pollen on a big scale to spray straight on crops when the climate improves.

A lot of our food regimen is at stake. Each seed, grain and fruit we eat is a direct product of pollination, explains biochemist Gloria Muday of Wake Forest College in North Carolina. “The crucial parameter is the utmost temperature throughout replica,” she says.

Seed creation begins when a pollen grain leaves a plant’s male reproductive organ (stamens), lands on the sticky stigma of a feminine reproductive organ (the pistil), and settles across the progress of a tube. This tube is fashioned by a single cell that grows via the stigma and a stalk known as the model till it in the end reaches the ovary, the place it delivers the pollen grain’s genetic materials. Pollen tube progress is without doubt one of the quickest examples of cell progress in all the plant world, says Mark Westgate, professor emeritus of agronomy at Iowa State College. “It grows as much as one centimeter per hour, which is extremely quick,” he says.

Rising at such a clip requires vitality. However at temperatures that begin at about 90 levels for a lot of crops, the proteins that energy a pollen grain’s metabolism begin to decelerate, Westgate says.

In truth, warmth not solely hinders tube progress, but additionally different phases of pollen improvement. The end result: a pollen grain could by no means type or burst, fail to supply a tube, or produce a tube that explodes.

Not all varieties are equally prone to warmth. In truth, researchers are nonetheless figuring out the molecular mechanisms that permit pollen from some crop varieties to outlive whereas pollen from others dies.

For instance, pollination in lots of tomato varieties is notoriously heat-sensitive—a crop that coated 274,000 acres of open fields within the U.S. in 2021 alone. If the climate will get too scorching, says Randall Patterson, president of the North Carolina Tomato Growers Affiliation, “The pollen will burn.” Patterson occasions his tomato plantings bloom throughout the longest stretch of nights beneath 70 levels and days beneath 90. He sometimes has a three- to five-week window through which the climate cooperates for every of his two annual rising seasons. “If it will get hotter and we’ve got extra nights above 70 levels,” he says, “that may shut our window.”

Muday is learning pollen from a mutant tomato plant that exhibits clues to protecting this window open. In 2018, her staff reported that antioxidants generally known as flavonols play an vital function in suppressing molecules known as ROS, which might in any other case improve to damaging ranges at excessive temperatures.

Mit der Finanzierung der Nationwide Science Basis ist Muday jetzt Teil eines Multi-College-Groups, das darauf abzielt, die molekularen Mechanismen und zugrunde liegenden Gene aufzudecken, die Tomatenpollen helfen könnten, einen Wärmezauber zu verwittern. Die Hoffnung ist, dass Züchter diese Gene dann in neue, widerstandsfähigere Tomaten einbeziehen könnten.

Einblicke aus ihrer ersten Studie haben Muday bereits dazu beigetragen, eine Tomate zu entwickeln, die besonders ein hohes Maß an Flavonolen erzeugt. “Sie scheinen besonders intestine mit hohen Temperaturspannungen zu tun”, sagt sie. Letztendlich erwartet Muday, dass sie feststellen werden, dass der Weg von Hitze zu Pollenstod viele Spieler außerhalb von Flavonols und ROS und so potenziell viele Ziele für Korrekturen beinhaltet.

In der Zwischenzeit arbeiten Züchter von Tomaten und anderen Pflanzen bereits daran, Sorten zu entwickeln, die besser mit der Wärme umgehen können. „Wenn die Landwirte im pazifischen Nordwesten oder in den Bergstaaten oder in den hohen Ebenen Erbsen wachsen und das Klima wärmer sein werden, müssen wir Erbsen mit mehr Wärmetoleranz haben“ Genetiker Rebecca McGee vom USDA Agricultural Analysis Service in Pullman, Washington.

Impulspflanzen – so benannt nach den lateinischen „Puls“ dicke Suppe – umfassen getrocknete Bohnen, Erbsen, Linsen und Kichererbsen. Diese Pflanzen benötigen nicht viel Feuchtigkeit. Aber wenn die Temperaturen zu heiß werden, abbaut der Pollen ab, sagt Todd Scholz, Vizepräsident für Analysis bei den USA Dry Pea und Lentil Council. Die gleiche Hitzewelle, die letztes Jahr die Ernte von Flansburg geschlagen hat, dezimierte Pulspflanzen. Die Ernte von Linsen und trockenen Erbsen fiel auf etwa die Hälfte der durchschnittlichen Produktion, während die Kichererbsen um mehr als 60 Prozent fiel.

McGee züchtet einige ihrer Erbsen und Linsen, um hohen Temperaturen widerstandsfähiger zu sein. Aber bei anderen Projekten verfolgt sie einen anderen und etwas kontraintuitiven Ansatz: Zuchtpflanzen, die Erkältung standhalten können.

In den nördlichen Vereinigten Staaten pflanzen die Erzeuger im Frühjahr typischerweise Impulspflanzen. McGee züchtet Erbsen, Linsen und Kichererbsen, die stattdessen im Herbst gesät werden. Die Idee ist, dass diese Sorten den Winter überleben und dann früh im Sommer einen Sprung in die Blüte bringen und ihnen eine Kämpfe Probability geben, vor einer Hitzewelle erfolgreich zu bestäuben.

Im vergangenen Jahr wurde McGee für ihre Area für ihre Area eine begrenzte Menge der ersten drei Erbsensorten in der Herbst-Sobst-Sobst-Sobst-Sobst, die von Lebensmitteln in Saatgut freigesetzt. Sie sagt, sie blühen ungefähr zwei Wochen früher als die meisten Frühjahrserbsen-und mit doppelt so hochem Ertrag. Natürlich blüht diese Kulturen nicht garantiert, bevor hohe Hitze eintrifft, sagt McGee, „aber Sie müssen sich nicht so sehr Sorgen machen.“

An der Michigan State College untersucht Jenna Walters, wie sich die Temperatur in einer Obsternte auf Pollen – und Bestäuber – auswirkt. Am Memorial Day Weekend 2018 blieb die Temperatur im Südwesten von Michigan bei 95 Grad, während Bienen zwischen zarten weißen Blüten auf Blaubeerbüschen summten. In der Ernte waren viele Früchte kleiner als gewöhnlich oder hatten sich nicht insgesamt gebildet. In einem Bundesstaat, der im Durchschnitt rund 100 Millionen Pfund Blaubeeren professional Jahr beträgt, haben die Erzeuger nur 66 Millionen geerntet.

Walters – ein Doktorand, der einen doppelten Abschluss in Entomologie und Ökologie, Evolution und Verhalten erhält – untersucht, was genau schief gelaufen ist. Sie begann damit, die Wärmegrenze eines Blaubeerpollenkörners zu streichen – Pollen in Petrischalen einer Reihe von Temperaturen auszusetzen und den Pollen 24 Stunden lang zu überwachen. Ihre noch nicht veröffentlichten Ergebnisse deuten darauf hin, dass bei Temperaturen über 95 Grad Pollenrohre nicht wachsen.

Walters simulierte auch eine akute Wärmewelle, indem er Pollenkörner für vier Stunden auf 99,5-Grad-Wärme aussetzte und die Temperatur dann weitere 20 Stunden auf 77 Grad senkte. “Es gibt im Grunde keine Rückkehr”, sagt Walters. “[Heat] Die Belichtung für nur vier Stunden reicht aus, um zu dauerhaften Schäden zu führen. “

Sie bestätigt diese Ergebnisse nun in tatsächlichen Blaubeerbüschen in Wachstumskammern auf unterschiedliche Temperaturen. Wenn die Ergebnisse gelten, könnten 95 Grad die Erzeuger dazu bringen, ihre Nebelsysteme regelmäßig auf abkühlen lassen. Aber die Erzeuger müssten Kompromisse in Betracht ziehen. „Viele Krankheitserreger werden über hohe Luftfeuchtigkeit oder Wasser ausgebreitet, insbesondere während dieser Blütenöffnungszeit“, sagt sie. Und wenn die Misting -Maschinen eingeschaltet sind, werden die meisten Bestäuber wahrscheinlich nicht besuchen.

Es ist möglich, dass überhitzte Blaubeerbüsche im Laufe der Zeit auch zu weniger Blaubeerbestäuber führen könnten, sagt Walters. Sie und ihre Kollegen vergleichen den Ernährungsgehalt von hitzebestressten und nicht gestressten Pollen und suchen nach Unterschieden in Proteinen, Kohlenhydraten und anderen Faktoren, die für die Gesundheit einer Biene von entscheidender Bedeutung sein könnten.

In diesem Jahr wird sie acht 6-mal-12-Fuß-Maschen-Käfige mit jeweils mehr als zwei Dutzend Blaubeerbüschen sowie ein paar weibliche blaue Obstgartenbienen füllen-eine der vielen Bienenarten, die Blaubeerblumen bestäuben. Für vier Stunden am Tag sitzt sie im Laufe von vier oder fünf Wochen in ihren Käfigen und beobachtet, wie die Bienen Eier und Futter für Pollen auf Büschen legen ihre Blüte.

Laut Walters ist die Sorge, dass, wenn die Hitze Pollen zerstört, Ernährungsstress dazu führt, dass Frauen mehr männliche Eier herstellen, die weniger Pollen zur Herstellung benötigen. Aber männliche Blue Orchard -Bienen sind für einen Blaubeerzüchter weniger nützlich, da nur die Weibchen bestäuben und Eier legen, um die nächste Technology zu beginnen. Um den Pollenverlust auszugleichen, könnten die Erzeuger in Betracht ziehen, Streifen von Wildblumenstreifen zu pflanzen, die wärme toleranter sind und Bestäuber zusätzliche Nährstoffe ermöglichen.

Und dann gibt es die Technik. Mark Westgate aus dem Bundesstaat Iowa ist der Chief Science Officer von Powerpollen, einem in Iowa ansässigen AG-Tech-Unternehmen, das sich auf die Verbesserung der Bestäubung für Hersteller von Hybridmaissamen konzentriert-eine Ernte, bei der Pollen bei Temperaturen über 104 Grad versagt.

Mit einem an einem Traktor angeschlossenen Quasten-Shaking-Sammelgerät sammelt das Unternehmen große Mengen reifes Pollen in Feldern und speichert dann die lebenden Pollenkörner in einer kontrollierten Umgebung. PowerPollen kehrt zurück, um diesen Pollen anzuwenden, wenn die Wetterbedingungen die Befruchtung begünstigen – normalerweise spätestens fünf Tage nach der Sammlung. Das Fenster klingt klein, aber es könnte es den Landwirten ermöglichen, einem besonders heißen Tag auszuweichen. Das Unternehmen arbeitet daran, diesen Zeitraum zu erweitern und seine Technologie auf andere Pflanzen anzuwenden.

Für einige kann eine einfachere Lösung darin bestehen, die Pflanzen insgesamt zu wechseln. „Es gibt Impulse, die in tropischen Klimazonen wachsen, sodass Sie eine andere Sorte auswählen“, sagt Scholz vom Trockenerbsen- und Linsenrat. Aber einige Impulse, die zur Hitze stehen, stellt er fest, dass Fava-Bohnen und schwarzäugige Erbsen mehr Feuchtigkeit erfordern, als Trockenbauern des pazifischen Nordwestens liefern können.

Flansburg has no plans to maneuver to Washington. He stays assured that the breeding effort will assist him proceed to increase the canola and different crops his household has cultivated for generations. Nonetheless, he worries concerning the future. “There is a greater image of a altering local weather that we’ve got to deal with and cope with if we’re going to have the ability to hold feeding individuals,” he says. “There’s only a restrict to how a lot warmth a crop can require.”

This story was produced in partnership with the Meals & Setting Reporting Community, a nonprofit investigative information group.