Ученые: Жара угрожает урожаям — нужно готовить растения

Австралийский агросектор пострадает от роста глобальных температур. Климат уже склонен к засухам и наводнениям, а изменение климата усилит это, вызывая внезапные засухи, меняя режим осадков и усиливая ливни. Прибыль ферм упала на 23% за 20 лет до 2020 года, и тенденция сохранится.

Без контроля изменение климата усложнит массовое производство пищи. Более 40% калорий мы получаем всего от трех растений: пшеницы, риса и кукурузы. Климатические изменения несут реальные риски для этих культур, а недавние исследования указывают на возможность синхронных потерь урожаев.

Хотя мы давно модифицируем культуры для защиты от вредителей или повышения урожайности, до сих пор ни одна коммерческая культура не была создана для устойчивости к жаре. Мы работаем над этой проблемой, пытаясь сделать растения сои устойчивыми к экстремальной погоде в более горячем мире.

Какую угрозу несет изменение климата продовольствию?

По оценкам Продовольственной и сельскохозяйственной организации ООН (FAO), к 2050 году производство пищи должно вырасти на 60%, чтобы прокормить 9,8 млрд человек.

Каждое повышение температуры на 1°C в сезон выращивания связано со снижением урожайности риса на 10%. Рост температуры на 1°C может привести к падению мировых урожаев пшеницы на 6,4%. Это эквивалентно исключению из уравнения крупного экспортера, такого как Украина (6% торговли зерном до войны).

Растения, в отличие от животных, не могут укрыться от жары. Единственное решение — повысить их устойчивость к грядущим изменениям.

Эти события уже происходят. В апреле 2022 года фермеры индийского штата Пенджаб потеряли более половины урожая пшеницы из-за аномальной жары. В этом месяце палящие температуры в Юго-Восточной Азии губят посевы.

Что происходит с растениями при экстремальной жаре?

Растения используют фотосинтез для превращения солнечного света и CO₂ в сахара. В сильную жару этот процесс затрудняется.

Жара заставляет растения испарять воду для охлаждения. При сильной потере воды листья вянут, а рост останавливается. «Солнечные панели» растения — листья — не могут улавливать свет, когда увяли. Нет воды — нет энергии для создания плодов или зерна. Когда температура воздуха достигает 50°C, фотосинтез прекращается.

Высокие температуры могут затруднить производство пыльцы и семян, а также вызвать более раннее цветение. Жара ослабляет растение, делая его более уязвимым для вредителей и болезней.

Наши зерновые культуры — от риса до пшеницы и сои — полагаются на половое размножение. Растения должны быть оплодотворены (например, опылены пчелами или мухами) для получения хорошего урожая.

Если волна жары приходится на период оплодотворения, растениям сложнее завязать семена, и урожайность падает. Хуже того, высокие температуры вызывают стерильность пыльцы, что резко сокращает количество семян. Опылители, такие как пчелы, также с трудом адаптируются к жаре.

Подготовка наших культур

Чтобы дать культурам шанс, придется использовать методы генетической модификации. Хотя они часто были спорными, это наш лучший ответ на угрозу.

Причина в том, что генная модификация дает более точный контроль над геномом растения, чем традиционная селекция на определенные признаки. Это также намного быстрее, так как мы можем изолировать гены одного организма и перенести их в другой без полового размножения. Так, хотя мы не можем скрестить подсолнух с пшеницей половым путем, мы можем взять гены подсолнуха и перенести их в пшеницу.

Десятилетиями мы полагались на генетически модифицированные версии некоторых важнейших пищевых и волокнистых культур. Почти 80% мировой сои генетически модифицировано для повышения урожайности и питательности. ГМ-рапс составляет более 90% производства в Канаде и США, а в Австралии около 20% выращиваемого рапса — генетически модифицированного. Но до сих пор у нас не было коммерчески принятых культур, модифицированных для устойчивости к жаре.

Один из способов — найти жароустойчивые растения и перенести их свойства на наши культуры. Некоторые растения, например, живое ископаемое welwitschia mirabilis, remarkably устойчивы к жаре и могут выживать в пустыне Намиб почти без осадков.

Белки теплового шока и тепловые сенсоры

Клетки растений, как и наши, содержат белки теплового шока. Они помогают растениям выживать в жару, защищая процесс сворачивания других белков. Без них жизненно важные белки разворачивались бы, а не принимали правильную форму.

Мы можем попытаться усилить функцию этих существующих белков теплового шока, чтобы клетки продолжали работать в более жарких условиях.

Мы также можем изменить поведение генов, действующих как тепловые сенсоры. Эти гены работают как главные переключатели, контролируя реакцию клетки на тепло, вызывая защитные белки теплового шока и антиоксиданты.

В нашей лаборатории мы модифицировали растения сои, усилив эти гены-главные переключатели. Растения сои, экспрессирующие более высокие уровни этого гена, показали значительное увеличение защиты. В условиях короткой, интенсивной жары эти модифицированные растения меньше вяли, производили больше жизнеспособной пыльцы, имели меньше структурных деформаций и давали лучший урожай в условиях теплового стресса.

А как насчет пшеницы?

Хотя мы привыкли к генетически модифицированной сое, мы еще не смирились с необходимостью изменять пшеницу — самую важную продовольственную культуру.

Волны жары создают аналогичную проблему для пшеницы, но общественное признание отсутствует. Противодействие модифицированной пшенице было очень сильным.

В лабораториях исследователи в университетах и агрокомпаниях добились успеха в модификации пшеницы для большей термоустойчивости. Но ни одно из этих изменений не воплотилось в культурах, высаженных в полях.

Если мы хотим прокормить растущее население на более горячей планете, это должно измениться.