На один цикл селекции от голода

В гонке с мировым голодом время на исходе. К 2050 году население планеты вырастет и урбанизируется настолько, что потребуется производить на 87% больше четырёх основных продовольственных культур — риса, пшеницы, сои и кукурузы, — чем сегодня.

Одновременно климат изменится: станет теплее, а концентрация углекислого газа (CO₂) в атмосфере возрастёт. Культурные растения могут адаптироваться через эволюцию, но гораздо медленнее, чем меняется атмосфера. Кроме того, площадь земель, пригодных для выращивания, вряд ли увеличится, а на глобальном уровне она даже сокращается.

«Мы должны начать наращивать производство сейчас, быстрее, чем когда-либо. Любая инновация сегодня будет готова к выходу на поля фермеров не раньше, чем через 20 лет — из-за тестирования, разработки продукта и одобрения регулирующими органами. Поэтому 2050 год не так далёк. Вот почему мы говорим, что мы на один цикл селекции от голода», — говорит специалист по растениеводству из Университета Иллинойса Стивен П. Лонг.

Исследователи видят решение в генетической модификации механизмов фотосинтеза, чтобы использовать прогнозируемый рост температур и CO₂ для получения более высоких урожаев на той же площади.

Два ограничивающих фактора

Скорость фотосинтеза в таких культурах, как соя и рис, определяется двумя факторами:

1. Фермент рубиско, который захватывает CO₂. При низком уровне CO₂ и высоких температурах рубиско может ошибиться и использовать кислород вместо CO₂, что приводит к высвобождению CO₂ обратно в атмосферу.
2. При более высоком уровне CO₂ рубиско становится эффективнее, но повышение температур снижает эту эффективность. Партнёры проекта ищут варианты рубиско у разных организмов, которые будут меньше ошибаться в жарком климате.

Второе ограничение и его преодоление

Второй фактор — скорость, с которой остальные компоненты листа регенерируют молекулу-акцептор CO₂, RuBP. При высоком уровне CO₂ ограничивающим становится именно этот этап регенерации.

Исследователи создали математические модели, которые показали: изменяя распределение азота между частями фотосинтетического аппарата, можно производить больше углеводов в условиях повышенных температуры и CO₂ без увеличения количества азотных удобрений.

Проверка в поле

Модели проверили в полевых условиях. С помощью генной инженерии учёные ускорили регенерацию RuBP у растений табака в среде с высоким содержанием CO₂. Концепция подтвердилась: скорость фотосинтеза и урожайность увеличились.

Следующий шаг — испытания на основных продовольственных культурах в контролируемых условиях и полевых trials. Решение не будет готово для коммерческого внедрения ещё много лет.

«Перед лицом чрезвычайных проблем у нас просто нет роскоши отказываться от использования любой технологии, которая может улучшить продуктивность сельскохозяйственных культур», — подчёркивает Лонг.