Ученые создали культуры, экономящие воду и устойчивые к засухе

Сельское хозяйство уже потребляет 90% глобальных запасов пресной воды, но производство продуктов все равно должно резко возрасти, чтобы прокормить растущее население. Впервые ученые улучшили эффективность использования воды сельскохозяйственной культурой на 25%, не снижая урожайность. Это достигнуто за счет изменения экспрессии одного гена, который есть у всех растений. Результаты опубликованы в Nature Communications.

Исследование — часть международного проекта RIPE (Realizing Increased Photosynthetic Efficiency), который поддерживают Фонд Билла и Мелинды Гейтс, Фонд исследований в области продовольствия и сельского хозяйства и Министерство международного развития Великобритании.

«Это крупный прорыв», — заявил директор RIPE Стивен Лонг. — «Урожайность неуклонно росла последние 60 лет, но количество воды, необходимое для производства одной тонны зерна, оставалось неизменным. Это заставляло многих считать, что данный фактор изменить нельзя. Подтверждение нашей теории на практике должно открыть двери для новых исследований».

Международная команда повысила уровень фотосинтетического белка PsbS, чтобы заставить растения частично закрывать устьица — микроскопические поры на листьях, через которые испаряется вода. Устьица — это «привратники» растения: когда они открыты, углекислый газ поступает для фотосинтеза, но вода теряется в процессе транспирации.

«У этих растений было больше воды, чем нужно, но так будет не всегда», — отметила соавтор Катаржина Гловацка. — «Когда воды мало, модифицированные растения будут расти быстрее и давать больший урожай — они понесут меньшие потери, чем их немодифицированные аналоги».

В полевых испытаниях команда улучшила водоудерживающую способность растения (соотношение поглощенного CO₂ к потерянной воде) на 25%, без значительного ущерба для фотосинтеза или урожайности. Концентрация CO₂ в атмосфере за последние 70 лет выросла на 25%, что позволяет растению накапливать достаточно углекислого газа, не открывая устьица полностью. «Эволюция не поспевает за такими быстрыми изменениями, поэтому ученые дали ей “помощь”», — сказал Лонг.

На открытие и закрытие устьиц влияют четыре фактора: влажность, уровень CO₂ в растении, качество и количество света. Данное исследование — первый отчет об изменении реакции устьиц на количество света.

Белок PsbS — ключевая часть сигнального пути растения, который передает информацию о количестве света. Повышение уровня PsbS создает сигнал о недостатке световой энергии для фотосинтеза, что заставляет устьица закрываться, так как CO₂ больше не нужен.

Эта работа дополняет предыдущее исследование, опубликованное в Science, которое показало, что увеличение экспрессии PsbS и двух других белков может улучшить фотосинтез и повысить продуктивность до 20%. Теперь команда планирует объединить достижения обоих исследований, чтобы улучшить продуктивность и эффективность использования воды, сбалансировав экспрессию этих трех белков.

В данном исследовании гипотезу проверяли на табаке — модельной культуре, которую легче модифицировать и быстрее тестировать. Теперь ученые применят свои открытия для повышения водоудерживающей способности продовольственных культур и проверят их эффективность в условиях нехватки воды.

«Повышение эффективности использования воды сельскохозяйственными растениями — возможно, величайшая задача для современных и будущих ученых», — сказал соавтор Йоханнес Кромдейк. — «Наши результаты показывают, что повышенная экспрессия PsbS позволяет культурам экономнее использовать воду. Мы полагаем, это поможет лучше распределять доступные водные ресурсы в течение сезона и поддерживать продуктивность культур в засушливые периоды».