Скрытые зеленые навыки: как современная наука может сократить затраты в сельском хозяйстве

Science попросила Джозефа Джеза, профессора биологии, выделить самые интересные достижения в растениеводстве за последние 3–5 лет для снижения потребления воды, удобрений и гербицидов. Его обзор «Следующее зеленое движение» опубликован в специальном выпуске журнала от 16 сентября.

К 2050 году производство продовольствия должно удвоиться, но рост урожайности ключевых культур отстает от потребностей. Ресурсы традиционной Зеленой революции исчерпаны, и необходимы новые решения.

Азот: дорогой и неэффективный ресурс

  • Проблема: До 50–70% азотных удобрений теряется со стоком, загрязняя окружающую среду (например, создавая «мертвую зону» в Мексиканском заливе). Процесс Габера для производства удобрений энергоемок и способствует глобальному потеплению.

  • Биологическое решение (бобовые): Бобовые (соя, арахис, клевер) образуют симбиоз с бактериями rhizobia в корневых клубеньках. Бактерии фиксируют атмосферный азот с помощью фермента нитрогеназы, а растение обеспечивает их сахаром.

  • Научные подходы:

    1. Перенос нитрогеназы непосредственно в растения, чтобы они фиксировали азот самостоятельно (технически сложно, так как фермент чувствителен к кислороду).
    2. Расширение симбиоза на небобовые культуры (кукурузу, пшеницу) путем передачи сигнальных механизмов, которые позволяют растению «договариваться» с бактериями.
    3. Усиление азотфиксации у почвенных бактерий, которые делают это неэффективно.

Фосфор: дефицитный и труднодоступный

  • Проблема: Фосфор — ограниченный ресурс (запасов хватит на 50 лет). Растения усваивают только **ортофосфат (PO4~−3)**, но 70% внесенного фосфора связывается в почве или потребляется микробами.
  • Научное решение: Некоторые бактерии могут метаболизировать фосфит (PO3−3), недоступный растениям. Перенос генов этих бактерий в культурные растения позволил бы им использовать фосфит в качестве удобрения.
  • Двойная выгода: Если удобрять фосфитом, культурные растения получат питание, а сорняки, лишенные нужного гена, будут голодать.

Фотосинтез: повышение эффективности

Растения используют лишь часть солнечного спектра и неэффективно фиксируют CO2.

  • Расширение спектра поглощения: У водорослей и бактерий есть пигменты, поглощающие больше инфракрасного света. Их перенос в растения (особенно в нижние ярусы листвы) повысит эффективность сбора энергии.

  • Улучшение ключевого фермента Rubisco:

    • Проблема: Rubisco — неэффективный фермент, составляющий до 50% белка в листе. Он часто связывается с кислородом, запуская энергозатратный процесс фотодыхания.
    • Природное решение (C4-растения): Кукуруза, сахарный тростник и просо физически разделяют процессы, концентрируя CO2 в микрокомпартментах, где Rubisco работает эффективнее. Этот механизм эволюционировал независимо до 60 раз.
    • Научный подход: Ученые успешно пересадили Rubisco из цианобактерий в растения табака вместе с геном для создания защитного микрокомпартмента. Это может ускорить фиксацию углерода и помочь снизить уровень CO2 в атмосфере.

Генетическая модификация: ответ критикам

Джез отмечает, что человечество всегда изменяло растения в своих целях:

  • Кукуруза — результат тысячелетней селекции ее предка теосинте.
  • Традиционная селекция и межвидовые скрещивания вслепую меняют тысячи генов.
  • Многие культуры (например, устойчивая к ржавчине пшеница) созданы с помощью радиации или химических мутагенов, встраивающих большие фрагменты чужеродной ДНК.

Современные методы, такие как CRISPR, позволяют проводить точечное редактирование существующей ДНК или встраивать несколько хорошо изученных генов, что является более контролируемым и мягким подходом. Ускорение селекции необходимо, чтобы накормить дополнительные 2 миллиарда человек к 2050 году.