Дефицит фосфатов: истощающийся ресурс, необходимый для производства пищи

К 2030 году население мира, по прогнозам, составит около 8,5 миллиардов человек. Глобальная продовольственная безопасность является серьезной проблемой для правительств — «ликвидация голода» занимает второе место среди Целей устойчивого развития ООН.

Однако существует серьезный конфликт между устойчивым производством продуктов питания и использованием невозобновляемых ресурсов в сельскохозяйственных системах, в частности, фосфатов. Фосфор — это важный минеральный питательный элемент, необходимый сельскохозяйственным растениям для оптимального роста и продуктивности. Фосфат — единственная форма фосфора, которую растения могут поглощать; его часто вносят в качестве фосфатного удобрения.

Фосфат добывается путем разработки горных пород. Семьдесят процентов мировых запасов фосфатов находятся в Северной Африке. Китай, Россия, Южная Африка и США обладают ограниченными запасами этого минерала.

Ограниченные ресурсы

Ученые сообщают, что глобальное производство фосфатов достигнет пика около 2030 года, когда население мира достигнет 8,5 миллиардов человек. Несколько отчетов также предупреждают, что мировые запасы будут истощены в течение следующих 50–100 лет. Современная сельскохозяйственная практика предполагает использование большого количества фосфатных удобрений для достижения оптимальной урожайности.

Это связано с химическими свойствами фосфата, который взаимодействует с частицами почвы таким образом, что затрудняет его усвоение растением, оставляя большую часть элемента в поверхностном слое почвы.

Поскольку растения могут усваивать лишь небольшое количество фосфата, большая часть удобрений попадает в нежелательные места, например, в водоемы, что делает эту практику экологически и экономически неустойчивой. Логично предположить, что по мере роста стоимости фосфатов и их возможного истощения возникает не только угроза продовольственной безопасности, но и потенциальный политический кризис между богатыми фосфатами странами и странами-импортерами.

Понимание поглощения фосфатов

Исследователи из разных дисциплин ищут способы оптимизировать использование фосфатов сельскохозяйственными растениями. Почвоведы ищут пути улучшения управления фосфатами в почве, а биологи растений активизируют усилия по пониманию того, как растения могут адаптироваться к ограниченному количеству фосфора.

Достигнуты значительные успехи в понимании адаптивной реакции растений на низкое содержание фосфатов в почве. Например, при недостатке фосфатов растения останавливают рост первичного корня и наращивают больше вторичных корней и корневых волосков, чтобы увеличить способность поглощать фосфат из почвы с низким содержанием минерала. Эта стратегия называется изменением архитектуры корневой системы.

Другая стратегия заключается в том, что в условиях дефицита фосфатов растения способны перераспределять накопленный фосфат в другие части растения для поддержания роста и развития. В этот период растения также меняют паттерн экспрессии генов, чтобы адаптироваться. Они увеличивают экспрессию генов, участвующих в поглощении фосфата из почвы.

Достижения в геномике и биохимии помогли выявить некоторые гены и белки, контролирующие эти процессы. Однако некоторые регуляторные гены, контролирующие реакцию растения на низкий уровень фосфатов, все еще неизвестны, что затрудняет выведение культур, хорошо адаптированных к низкому содержанию фосфатов.

Регуляция белков

В этом месяце в журнале Plant Physiology было сообщено о крупном открытии. Международная группа ученых обнаружила в растениях белок, способный определять уровень фосфора в почве и давать команду растению скорректировать рост и цветение. Белок под названием SPX4 регулирует гены, контролирующие поглощение фосфора, рост растений и время цветения. Он сообщает растению, когда оно получило достаточно фосфора, и координирует с корнями прекращение поглощения.

Это открытие о том, как белок интегрирует статус питательных веществ с развитием, поможет понять, как растения могут хорошо расти даже при ограниченном внесении фосфора.

Другое исследование, опубликованное в журнале Cell, идентифицировало ген, регулирующий архитектуру корневой системы. Исследователи показали, что этот ген модулирует гормон растения, в конечном итоге регулируя глубину корневой системы. Хотя это исследование напрямую не касается фосфатов, лучшее понимание развития корней также поможет в разработке сортов сельскохозяйственных культур, лучше адаптированных к низкому содержанию фосфатов.

Учитывая существующую проблему и достижения в технологиях, сейчас самое подходящее время для изучения передачи сигналов о фосфатах в растениях и разработки культур, которые лучше адаптируются к низкому содержанию фосфатов. Это в конечном итоге поможет производить достаточно пищи для растущего населения, не оказывая негативного воздействия на окружающую среду.