Теплоустойчивые культуры: изменение ориентации листьев, химии и фотосинтеза для борьбы с потерей урожая

Лабораторные и полевые эксперименты неоднократно показали, что модификации процесса фотосинтеза или физических характеристик растений могут повысить устойчивость сельскохозяйственных культур к высоким температурам.

Учёные могут изменять количество или ориентацию листьев, менять химию листьев для повышения термостойкости и корректировать ключевые этапы процесса фотосинтеза, чтобы преодолеть «узкие места», сообщается в обзоре в журнале Science.

Хотя эти изменения могут компенсировать часть потерь, вызванных ростом глобальных температур, их непросто внедрить в масштабах, необходимых для обеспечения продовольственной безопасности мира.

Долгий путь от идеи до поля

«Временной промежуток от выявления полезного признака до его внедрения на поле фермера велик», — сказал Дональд Орт, соавтор обзора. «Цикл селекции для обычного признака может занимать 10–12 лет».

Изменение экспрессии генов с помощью биоинженерии происходит быстрее, но регуляторные требования подразумевают годы лабораторных и полевых испытаний. «С учётом высокой стоимости вывода биоинженерного признака на рынок, вы должны быть уверены, что он работает везде. Это требует множества полевых испытаний в разных локациях, что вместе с юридическими издержками очень дорого», — отметил Стивен Лонг.

По оценкам, для вывода на рынок одного трансгенного признака требуется около 115 миллионов долларов и более 16 лет — от изобретения до системы семеноводства.

Альтернативные подходы, такие как редактирование ДНК для усиления экспрессии уже существующих в растении генов (без введения чужеродной ДНК), позволяют избежать многих этих затрат.

Проверенные подходы к повышению устойчивости

В лабораторных и полевых испытаниях уже проверены и подтверждены многие потенциальные подходы:

• Изменение ориентации листьев в пологе для оптимизации распределения света, повышения эффективности использования воды и минимизации ожогов листьев.
• Повышение отражательной способности листьев или регулирование потери воды через устьица без снижения продуктивности.
• Модификация фермента Rubisco — самого распространённого белка на планете, через который ассимилируется CO₂. Моделирование показывает, что замена Rubisco сои на более эффективный фермент от другого вида улучшит её работу в жарких условиях.
• Манипуляции с распределением хлорофилла в листьях, чтобы нижние листья улавливали больше света, проникающего сквозь полог. Это, наряду с изменением ориентации листьев, повышает эффективность фотосинтеза и равномернее распределяет тепловую нагрузку.

Время — критический фактор

Прогнозируемое повышение температуры в период с 2010 по 2050 год, по оценкам авторов, снизит урожайность основных зерновых на 6–16%, на фоне потенциального роста спроса на них более чем на 50%.

«Существуют реальные возможности противостоять повышению температур, сделать культуры устойчивыми к будущему росту тепла», — сказал Лонг. «Это не невозможно. Но для этого потребуются значительные, очень значительные усилия».