Многомерный анализ многолетних климатических данных в связи с урожайностью, скороспелостью и проблемой глобального потепления

Изменение климата – определяющая проблема растениеводства XXI в. Агротехнологии будущего в Российской Федерации должны быть связаны с оптимизацией землепользования, которая будет осуществляться как с применением алгоритмов «умного» сельского хозяйства, так и на основе прогноза потенциальных климатических изменений. Это позволит повысить рентабельность и устойчивость производства сельскохозяйственной продукции без дополнительных затрат за счет своевременного учета возможных рисков. При этом оптимизация системы возделывания культур должна базироваться не на имеющихся эмпирических показателях, полученных по ограниченным во времени точкам учета (месяц, год), и субъективной человеческой оценке, а на комплексном анализе массивов многолетней информации. В настоящей работе приведены результаты многомерного анализа метеорологических экстремумов и связанных с ними неурожаев в Восточной и Западной Европе за последние 2600 лет по летописным данным и палеореконструкциям, а также реконструкциям гелиофизических данных за последние 9000 лет. Отмечается, что идущее глобальное потепление продлится еще некоторое время. Однако последующие изменения климата могут быть направлены в любую сторону, причем, скорее, в сторону похолодания, а не потепления, поэтому надо быть готовыми к любым сценариям будущего. Для нивелирования последствий этих изменений селекция может сыграть ключевую роль в решении проблем продовольственной безопасности. Обсуждаются перспективы разработки мер адаптации растениеводства к происходящим и ожидаемым изменениям климата, и сделан вывод, что селекция будущего должна базироваться на использовании уже отработанных в программах предварительной селекции (pre-breeding) высокоадаптированных сельскохозяйственных культур, потенциально отвечающих будущим вызовам, обусловленным потенциальным изменением климата. 

1. Atkinson M.D., Kettlewell P.S., Poulton P.R., Hollins P.D. Grain qua lity in the broadbalk wheat experiment and the winter north atlantic oscillation. J. Agric. Sci. 2008;146(5):541-549. DOI 10.1017/S0021859608007958

2. Baltzoi P., Fotia K., Kyrkas D., Nikolaou K., Paraskevopoulou A.T., Accogli A.R., Karras G. Low water-demand plants for landscaping and agricultural cultivations – A review regarding local species of Epirus/Greece and Apulia/Italy. Agric. Agric. Sci. Procedia. 2015;4:250-260. DOI 10.1016/j.aaspro.2015.03.029

3. Barash S.I. History of Crop Failures and Weather in Europe. Leningrad: Gidrometeoizdat Publ., 1989 (in Russian)

4. Biswas A., Karak B.B., Usoskin I., Weisshaar E. Long-term modulation of solar cycles. Space Sci. Rev. 2023;219(3):19. DOI 10.1007/s11214-023-00968-w

5. Ceccarelli S., Grando S., Maatougui M., Michael M., Slash M., Haghparast R., Rahmanian M., Taheri A., Al-Yassin A., Benbelkacem A., Labdi M., Mimoun H., Nachit M. Plant breeding and climate changes. J. Agric. Sci. 2010;148(6):627-637. DOI 10.1017/S0021859610000651

6. Clette F., Svalgaard L., Vaquero J.M., Cliver E.W. Revisiting the sunspot number: A 400-year perspective on the solar cycle. Space Sci. Rev. 2014;186:35-103. DOI 10.1007/s11214-014-0074-2

7. Cooper M., Messina C.D. Breeding crops for drought-affected environments and improved climate resilience. Plant Cell. 2023;35(1):162-186. DOI 10.1093/plcell/koac321

8. Eastwood R.J., Tambam B.B., Aboagye L.M., Akparov Z.I., Aladele S.E., Allen R., Amri A., … Tapia Toll J., Vu D.T., Vu T.D., Way M.J., Yazbek M., Zorrilla C., Kilian B. Adap ting agriculture to climate change: A synopsis of coordinated National Crop Wild Relative Seed Collecting Programs across five continents. Plants. 2022;11(14):1840. DOI 10.3390/plants11141840

9. Eckardt N.A., Ainsworth E.A., Bahuguna R.N., Broadley M.R., Busch W., Carpita N.C., … Rim E.Y., Ronald P.C., Salt D.E., Shigenaga A.M., Wang E., Wolfe M., Zhang X. Climate change challenges, plant science solutions. Plant Cell. 2023;35(1): 24-66. DOI 10.1093/plcell/koac303

10. Efimov V.M., Goncharov N.P. Weather extremes and crop failures in Europe. In: Abstracts from the Tenth Siberian Meeting on Climate-Ecological Monitoring. Tomsk, October 14-17, 2013. Tomsk: Agraf-Press Publ., 2013;53 (in Russian)

11. Efimov V.M., Galaktionov Yu.K., Shushpanova N.F. Analysis and Forecast of Time Series by the Principal Component Method. Novosibirsk: Nauka Publ., 1988 (in Russian)

12. Efimov V.M., Efimov K.V., Polunin D.A., Kovaleva V.Y. New possibilities of the PCA-Seq method in the analysis of time series (on the example of solar activity). J. Phys. Conf. Ser. 2021; 2099(1):012034. DOI 10.1088/1742-6596/2099/1/012034

13. Goncharov N.P. Plant domestication. Vavilovskii Zhurnal Genetiki i Selektsii = Vavilov Journal of Genetics and Breeding. 2013; 17(4/2):884-899 (in Russian)

14. Goncharov N.P., Chikida N.N. Genetics of the growth habit in Aegilops squarrosa L. Genetika (Moscow). 1995;31(3):343-346

15. Gower J.C. Some distance properties of latent root and vector methods used in multivariate analysis. Biometrika. 1966; 53(3-4): 325-338. DOI 10.1093/biomet/53.3-4.325

16. Gupta A. Origin of agriculture and domestication of plants and animals linked to early Holocene climate amelioration. Curr. Sci. 2004;87(1):54-59

17. Gurova T.A., Osipova G.M. The problem of combined stress resistance of plants under climate change in Siberia. Sibirskiy Vestnik Sel’skokhozyaystvennoy Nauki = Siberian Herald of Agricultural Science. 2018;48(2):81-92. DOI 10.26898/0370-8799-2018-2-11 (in Russian)

18. Hendry R.M. On the structure of the deep Gulf Stream. J. Mar. Res. 1982;40(1):119-142

19. Hogg N.G. On the transport of the Gulf Stream between Cape Hatteras and the Grand Banks. Deep-Sea Res. 1992;39(7-8): 1231-1246. DOI 10.1016/0198-0149(92)90066-3

20. Hogg N.G., Johns W.E. Western boundary currents. Rev. Geophys. 1995;33(S2):1311-1334. DOI 10.1029/95RG00491

21. Jatayev S., Sukhikh I., Vavilova V., Smolenskaya S.E., Goncharov N.P., Kurishbayev A., Zotova L., Absattarova A., Serikbay D., Hu Y.-G., Borisjuk N., Gupta N.P., Jacobs B., de Groot S., Koekemoer F., Alharthi B., Lethola K., Cu D., Schramm C., Anderson P., Jenkins C., Soole K.L., Shavrukov Y., Langridge P. Green revolution ‘stumbles’ in a dry environment: Dwarf wheat plants with Rht genes fail to produce higher yield than taller geno types under drought. Plant Cell Environ. 2020;43(10):2355-2364. DOI 10.1111/pce.13819

22. Kamran A., Iqbal M., Spaner D. Flowering time in wheat (Triticum aestivum L.): A key factor for global adaptabi lity. Euphytica. 2014; 197:1-26. DOI 10.1007/s10681-014-1075-7

23. Karhunen K. Über lineare Methoden in der Wahrscheinlichkeitsrechnung. Ann. Acad. Sci. Fennicae. Ser. A. I. Math.-Phys. 1947; 37:1-79.

24. Kattsov V.M., Meleshko V.P., Khlebnikova E.I., Shkolnik I.M. Assessment of climate impacts on agriculture in Russia over the first half of the XXI century: current opportunities provided by numerical modeling. Agrofizika = Agrophysica. 2011;(3):22-30 (in Russian)

25. Leigh F.J., Wright T.I., Horsnell R.A., Dyer S., Bentley A.R. Progenitor species hold untapped diversity for potential climateresponsive traits for use in wheat breeding and crop improvement. Heredity. 2022;128(5):291-303. DOI 10.1038/s41437-022-00527-z

26. Liang Y., Tian F. Plant genetics: Mechanisms of wild soybean adaptation. Curr. Biol. 2023;33(2):R82-R84. DOI 10.1016/j.cub.2022.12.009

27. Liu Z., Hu Z., Lai X., Cao J., Zhang J., Ma X., Zhang X., Wang X., Ji W., Xu S. Multi-environmental population phenotyping suggests the higher risks of wheat Rht-B1b and Rht-D1b cultivars in global warming scenarios. bioRxiv. 2022;07:500398. DOI 10.1101/2022.07.18.500398

28. Lobell D.B., Gourdji S.M. The influence of climate change on global crop productivity. Plant Physiol. 2012;160(4):1686-1697. DOI 10.1104/pp.112.208298

29. Lobkovsky L.I., Baranov A.A., Ramazanov M.M., Vladimirova I.S., Gabsatarov Y.V., Semiletov I.P., Alekseev D.A. Trigger mechanisms of gas hydrate decomposition, methane emissions, and glacier breakups in polar regions as a result of tectonic wave deformation. Geosciences. 2022;12(10):372. DOI 10.3390/geosciences12100372

30. Loève M. Fonctions Aléatoires de Second Ordre. In: Lévy P. (Ed.). Processus Stochastique et Mouvement Brownien. Paris: Gauthier-Vil lars, 1948;366-420

31. Manabe S. Role of greenhouse gas in climate change. Tellus A: Dyn. Meteorol. Oceanogr. 2019;71(1):1620078. DOI 10.1080/16000870.2019.1620078

32. Manabe S. Nobel Lecture: Physical modeling of Earth’s climate. Rev. Mod. Phys. 2023;95(1):010501. DOI 10.1103/RevModPhys.95.010501

33. Morgounov A., Sonder K., Abugalieva A., Bhadauria V., Cuthbert R.D., Shamanin V., Zelenskiy Yu., DePauw R.M. Effect of climate change on spring wheat yields in North America and Eurasia in 1981-2015 and implications for breeding. PLoS One. 2018;13(10):e0204932. DOI 10.1371/journal.pone.0204932

34. Nordhaus W. Climate change: The ultimate challenge for economics. Am. Econ. Rev. 2019;109(6):1991-2014. DOI 10.1257/aer.109.6.1991

35. Oppenheim A.V., Schafer R.W. Digital Signal Processing. New Jersey: Pearson, 1975

36. Pearson K.L. III. On lines and planes of closest fit to systems of points in space. Philos. Mag. 1901;2(11):559-572

37. Prentice R. Cultural responses to climate change in the Holocene. Anthós. 2009;1(1):3. DOI 10.15760/anthos.2009.41

38. Rauner Yu.L. Climate and Crop Productivity. Moscow: Nauka Publ., 1981 (in Russian)

39. Ruddiman W.F., Fuller D.Q., Kutzbach J.E., Tzedakis P.C., Kaplan J.O., Ellis E.C., Vavrus S., Roberts J., Fyfe C.N., He R.F., Lemmen C., Woodbridge J. Late Holocene climate: Natural or anthropogenic? Rev. Geophys. 2016;54(1):93-118. DOI 10.1002/2015RG000503

40. Shnirelman V.A. The Emergence of a Productive Economy: Centers of Ancient Agriculture. Moscow: Librokom Publ., 2012 (in Russian)

41. Sirotenko O.D. Crop modeling: Advances and problems. Agron. J. 2001;93(3):650-653. DOI 10.2134/agronj2001.933650ax

42. Sleptsov A.M., Klimenko V.V. Generalization of paleoclimatic data and reconstruction of the climate of Eastern Europe for the last 2000 years. Istoriya i Sovremennost’ = History and Modernity. 2005;(1):118-135 (in Russian)

43. Smolenskaya S.E., Goncharov N.P. Allelic diversity of the Vrn genes and the control of growth habit and earliness in wheat. Vavilovskii Zhurnal Genetiki i Selektsii = Vavilov Journal of Genetics and Breeding. 2023;27(8):933-946. DOI 10.18699/VJGB-23-108 (in Russian)

44. Smolenskaya S.E., Efimov V.М., Kruchinina Yu.V., Nemtsev B.F., Chepurnov G.Yu., Ovchnnikova Е.S., Belan I.А., Zuev Е.V., Zhou Chenxi, Piskarev V.V., Goncharov N.P. Earliness and morphotypes of common wheat cultivars of Western and Eastern Siberia. Vavilovskii Zhurnal Genetiki i Selektsii = Vavilov Journal of Ge netics and Breeding. 2022;26(7):662-674. DOI 10.18699/VJGB-22-81 (in Russian)

45. Solanki S.K., Usoskin I.G., Kromer B., Schüssler M., Beer J. An unusually active Sun during recent decades compared to the previous 11,000 years. Nature. 2004;431(7012):1084-1087. DOI 10.1038/nature02995

46. Solomon S., Qin D., Manning M., Chen Z., Marquis M., Averyt K., Tignor M., Miller H. Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Chang. Cambridge: Cambridge University Press, 2007

47. Sukhikh I.S., Vavilova V.Y., Blinov A.G., Goncharov N.P. Diversity and phenotypical effect of the allelic variants of Rht dwarfing genes in wheat. Russ. J. Genet. 2021;57(2):127-138. DOI 10.1134/S1022795421020101

48. Takens F. Detecting strange attractors in turbulence. In: Rand D., Young L.S. (Eds). Dynamical Systems and Turbulence. Warwick 1980. Lecture Notes in Mathematics. Vol. 898. Berlin: Springer, 1981;366-381. DOI 10.1007/BFb0091924

49. Toynbee A.J. A Study of History. London: Oxford University Press, 1954

50. Trifonov V.G., Karakhanyan A.S. Geodynamics and History of Civilizations. Moscow: Nauka Publ., 2004 (in Russian)

51. Trifonova A.A., Dedova L.V., Zuev E.V., Goncharov N.P., Kudryav tsev A.M. Comparative analysis of the gene pool structure of Triticum aethiopicum wheat accessions conserved ex situ and recollected in field after 85 year later. Biodivers. Conserv. 2021; 30(2):329-342. DOI 10.1007/s10531-020-02091-6

52. Usoskin I.G., Hulot G., Gallet Y., Roth R., Licht A., Joos F., Koval tsov G.A., Thebault E., Khokhlov A. Evidence for distinct modes of solar activity. Astron. Astrophys. 2014;562(1):L10. DOI 10.1051/0004-6361/201423391

53. Wu C.J., Usoskin I.G., Krivova N., Kovaltsov G.A., Baroni M.,

54. Bard E., Solanki S.K. Solar activity over nine millennia: A consistent multi-proxy reconstruction. Astron. Astrophys. 2018; 615: A93. DOI 10.1051/0004-6361/201731892

55. Zolotokrylin A.N., Cherenkova E.A., Titkova T.B. Aridization of drylands in the European part of Russia: Secular trends and links to droughts. Izvestiya Rossiiskoi Akademii Nauk. Seriya Geograficheskaya = Bulletin of the RAS. Geographic Series. 2020;84(2): 207-217. DOI 10.31857/S258755662002017X (in Russian)

56. Zotova L., Shamambaeva N., Lethola K., Alharthi B., Vavilova V., Smolenskaya S.E., Goncharov N.P., Jatayev S., Kurishbayev A., Gupta N.K., Gupta S., Schramm C., Anderson P., Jenkins C.L.D., Soole K.L., Shavrukov Yu. TaDrAp1 and TaDrAp2, Partner genes of a transcription repressor, coordinate plant development and drought tolerance in spelt and bread wheat. Int. J. Mol. Sci. 2020;21(21):8296. DOI 10.3390/ijms21218296