High temperature during anthesis affects the salinity tolerance of quinoa under field conditions

In de dorre landschappen van het Midden-Oosten en Centraal-Azië, waar de bodem vaak zout is en de lucht droog, staan boeren voor een moeilijke keuze: voedsel verbouwen of toezien hoe het land braak komt te liggen. Decennialang heeft de wereld vertrouwd op een handvol basisgewassen zoals tarwe en rijst om de bevolking te voeden, maar deze planten zijn kwetsbaar wanneer de grond zout is of de lucht te warm. Terwijl het klimaat verandert en de temperaturen stijgen, is de zoektocht naar een veerkrachtig alternatief gericht op een bescheiden zaadje uit de Andes: quinoa. Deze plant is niet alleen een bron van eiwitten en voedingsstoffen; het is een overlever. Het gedijt in barre omstandigheden waar andere gewassen falen, en verdraagt zoute bodems die een veld met tarwe zouden doden. Wetenschappers weten al lang dat quinoa zout kan verdragen, maar ze worstelden met het voorspellen van de exacte hoeveelheid die het in de echte wereld kan opnemen, vooral wanneer het weer zich tegen de plant keert. De vraag is niet langer alleen of quinoa kan groeien in zoute grond, maar of het de dubbele klap van zout en extreme hitte kan overleven, een combinatie die steeds gebruikelijker wordt in de regio's waar dit gewas het hardst nodig is.

Om dit te beantwoorden, zetten onderzoekers in Iran zich scharpe om vijf verschillende variëteiten van quinoa te testen onder echte veldomstandigheden gedurende twee opeenvolgende jaren. Ze plantten de zaden in een zandleemgrond op het centrale plateau, een regio die bekend staat om zijn uitdagende klimaat. Het team creëerde een gecontroleerde omgeving waarin ze de zoutgehalte van het water dat voor irrigatie werd gebruikt, konden manipuleren, waarbij ze niveaus testten variërend van zoet water tot water dat even zout is als de oceaan. Ze kweekten de planten door twee volledige seizoenen, 2017 en 2018, om te zien hoe de gewassen zouden presteren. Het eerste jaar was relatief mild, maar het tweede jaar bracht een verrassing: een periode van intense hitte tijdens de meest kritieke tijd voor de planten, wanneer ze bloeiden en hun zaden met graan vulden. Deze natuurlijke variatie stelde de wetenschappers in staat om te vergelijken hoe dezelfde planten reageerden op zout in een normaal jaar versus een jaar waarin de hitte extreem was.

De resultaten schetsen een duidelijk beeld van de grenzen van de plant. In het koelere jaar van 2017 presteerde de quinoa goed en leverde het een gezonde oogst op, zelfs in matig zoute grond. De planten groeiden hoog, hun zaden waren zwaar en ze leverden een aanzienlijke hoeveelheid graan op. Echter, het verhaal veranderde drastisch in 2018. Toen de hoge temperaturen toesloegen tijdens de bloeifase, stortte het vermogen van de planten om zaden te produceren in. De gemiddelde zaadopbrengst daalde van bijna 400 gram per vierkante meter in het eerste jaar naar minder dan 76 gram per vierkante meter in het tweede jaar. De hitte verminderde niet alleen de hoeveelheid graan; het veranderde de prioriteiten van de plant. In plaats van energie te steken in het maken van zaden, richtten de planten zich op het laten groeien van bladeren en stengels, wat resulteerde in een grote hoeveelheid stro maar heel weinig oogst. De zaden die wel vormden, waren kleiner en lichter, en de planten werden veel gevoeliger voor het zout in de bodem.

Wat de onderzoekers ontdekten, was dat hittestress de manier waarop de quinoa met zout omgaat, fundamenteel veranderde. In het koelere jaar konden de planten hoge niveaus van saliniteit verdragen, waarbij sommige variëteiten zelfs in vrij zoute grond een goede opbrengst produceerden. Maar toen de hitte arriveerde, verschoof de tolerantiedynamiek van de planten. De drempelwaarde waarbij de opbrengst begint af te nemen, vertoonde gemengde resultaten onder hittestress; voor sommige genotypen zoals Sadoq nam de drempel toe, terwijl deze voor anderen zoals NSRCQE afnam. De helling van de opbrengstafname werd echter breed genomen veel steiler: voor elke eenheid zout die boven de drempel werd toegevoegd, daalde de opbrengst in het hete jaar veel sneller dan in het koele jaar. In essentie, hoewel het startpunt voor stress per variëteit varieerde, werd de schade die door zout werd toegebracht na dat punt veel ernstiger, waardoor de planten in totaal kwetsbaarder werden. De studie toonde aan dat de gevoeligheid van quinoa voor saliniteit aanzienlijk toenam wanneer deze werd gecombineerd met hittestress, met name tijdens de bloei- en zaadvulingsperioden.

Het experiment benadrukte ook dat niet alle quinoa-variëteiten gelijk zijn. Sommige lijnen, zoals de genaamd Sadoq, toonden een hoger vermogen om in beide jaren zaden te produceren, hoewel zelfs deze veerkrachtige variëteit een enorme daling in opbrengst leed tijdens het hete jaar. Andere variëteiten waren minder consistent, waarbij sommigen goed presteerden in het ene jaar en slecht in het volgende. De onderzoekers observeerden dat het vermogen van de planten om grote zaden te produceren bijzonder kwetsbaar was voor de hitte, waarbij het percentage grote zaden in het hete jaar met bijna een kwart daalde. Deze inconsistentie suggereert dat het simpelweg planten van quinoa in zoute regio's geen gegarandeerde oplossing is. De timing van het planten en de specifieke genetische opmaak van het zaad doen er net zo toe als de bodemomstandigheden.

De bevindingen bieden een nuchtere les voor de landbouw in een opwarmende wereld. Hoewel quinoa een veelbelovend gewas blijft voor zoute bodems, is het succes ervan niet absoluut. Het is geen wondermiddel dat het weer kan negeren. De studie laat zien dat hoge temperaturen tijdens de bloeifase het reproductieve proces van de plant kunnen verstoren, waardoor het de vorming van zaden afbreekt of kleine, lichte zaden produceert. Deze verstoring vindt plaats omdat de hitte de bestuiving verstoort, een proces dat steunt op specifieke temperatuurbereiken. Wanneer de lucht te warm is, wordt het vermogen van de plant om zonlicht en voedingsstoffen om te zetten in graan aangetast, en wordt het zout in de bodem een veel schadelijker factor. De onderzoekers concludeerden dat om quinoa tot een betrouwbare voedselbron te maken in deze harde omgevingen, boeren en kwekers zich moeten richten op het selecteren van variëteiten die minder gevoelig zijn voor hitte tijdens de bloei en dat zij de plantdata moeten aanpassen om de heetste delen van het seizoen te vermijden. Zonder deze aanpassingen kan de belofte van quinoa als een klimaatbestendig gewas onvervuld blijven in de regio's die het het hardst nodig hebben.