В условиях экстремальных погодных условий ученые ищут способы адаптации сельскохозяйственных культур

Являются ли дикие сорта недооцененных зерновых, фруктов и овощей ключом к развитию более устойчивого сельского хозяйства?

В конце сентября международная группа исследователей рассредоточилась по отдалённому горному хребту Нью-Мексико в поисках неуловимого растения. Группа пробиралась по пересеченной местности, выискивая следы нежных лиан, обвивающих деревья или стелющихся по берегу пересохшего ручья.

После семи дней, проведенных в пустыне среди кустарников, ученые привезли с собой образец даров природы: дикие растения фасоли тепари.

Ученые хотели собрать образцы бобовых культур, произрастающих в засушливых регионах юго-запада США и северо-запада Мексики, из-за их выносливости: «Они эволюционировали в этом очень жарком, сухом климате, поэтому обладают исключительной устойчивостью к засухе и жаре, а также потенциальной устойчивостью к некоторым экстремальным почвенным условиям», — сказала Сара Доул, куратор по бобовым в Министерстве сельского хозяйства США, которая принимала участие в сборе урожая в Нью-Мексико.

Эти качества могут оказаться полезными на нагревающейся планете, поскольку ученые выясняют, как вывести фасоль, перец, картофель и различные другие  зерновые , фрукты и овощи, которые смогут выдерживать суровые условия меняющегося климата.

Подобные последствия уже наносят ущерб сельскому хозяйству по всему миру. На западе США  сильная засуха уничтожила производство томатов  и  риса  в Калифорнии   . В Гватемале совокупное воздействие засухи и дождей  привело к уничтожению  урожая кукурузы и чёрной фасоли – основных продуктов питания. В странах Африки к югу от Сахары из-за иссушающих условий  урожайность пшеницы и кукурузы снизилась  более чем на треть с начала 1960-х годов.

Климатические и сельскохозяйственные модели предсказывают ухудшение ситуации. Согласно исследованию NASA, проведенному в 2021 году, производство кукурузы, ведущей сельскохозяйственной культуры, обеспечивающей продовольствием миллиарды людей по всему миру, может  сократиться  на 24% уже к 2030 году. Хотя производство других основных продуктов питания, таких как пшеница, может даже вырасти, исследователи утверждают, что   для создания устойчивых и стабильных продовольственных систем  важна диверсификация сельского хозяйства. В 2014 году  из более чем 6000 видов культурных растений и более 50 000 съедобных растений, произрастающих на планете, две трети мирового производства приходилось всего на девять культур .

Ричард Пратт, ботанолог и профессор Университета штата Нью-Мексико, считает, что такие малоиспользуемые и морозостойкие культуры, как тепари, могут способствовать диверсификации производства продуктов питания. Их генетический материал может помочь сделать другие культуры более устойчивыми к засухе и жаре. Пратт участвовал в сентябрьской экспедиции вместе с коллегами из Министерства сельского хозяйства США и Международного центра тропического сельского хозяйства (CIAT), базирующегося в Колумбии. Они входят в растущее число исследователей, селекционеров и других учёных, работающих как над сохранением малоизученных дикорастущих культур, обеспечивая их сохранность для будущих поколений, так и над выведением более устойчивых растений в борьбе за  адаптацию  к изменению климата.

А именно: Калифорнийский университет в Дэвисе возглавляет межштатный  проект стоимостью 15 миллионов долларов  , в котором участвуют 20 организаций. Проект направлен на ускорение селекционных циклов пшеницы и поиск способов помочь этой культуре процветать в сложных условиях. В  Университете Оберна  в Алабаме учёные работают над созданием сорта арахиса, более устойчивого к засухе. В некоторых частях Азии и Африки некоторые фермеры уже выращивают стрессоустойчивый « зелёный суперрис », разработанный Международным научно-исследовательским институтом риса на Филиппинах. Ученые из различных институтов приняли участие в широкомасштабной работе, финансируемой правительством Норвегии, по выявлению, сбору и оценке дикорастущих культур для будущего развития.

Тем не менее, существует множество проблем: селекция сельскохозяйственных культур — это трудоёмкий процесс, поэтому исследователям может быть сложно успевать за быстро меняющейся погодой. Достижения в области генетического секвенирования и редактирования генов могут ускорить этот процесс, но требуют проведения дополнительных испытаний. Некоторые исследователи предупреждают, что технология редактирования генов Crispr, например, может привести к непреднамеренным изменениям ДНК и генетическому загрязнению диких сородичей сельскохозяйственных культур. Между тем, потребители по-прежнему хотят вкусных продуктов. А фермеры хотят выращивать культуры, которые легко выращивать.

По мере усиления неблагоприятных погодных условий селекция растений, ориентированная на выведение культур, адаптированных к климату, становится всё более актуальной. «Если глобальное изменение климата продолжит оказывать на нас негативное воздействие, — сказал Пратт, — нам понадобятся устойчивые к климатическим изменениям культуры».

Человечество имеет долгую историю одомашнивания и скрещивания диких растений для получения новых поколений с лучшим вкусом и более высокой урожайностью. «Будь то яблоки, груши, виноград или бананы, которые вы едите в супермаркете, эти растения когда-то где-то в мире были одомашнены человеком», — сказал эколог Хесус Гарсия, научный сотрудник Музея пустыни Аризона-Сонора в Тусоне, штат Аризона.

Например, около 9000 лет назад ранние аборигены-земледельцы на территории современной Мексики превратили дикую  траву теосинте в одностебельную, пухлую кукурузу, выращиваемую сегодня по всему миру.

По мере развития генетики учёные-ботаники смогли более эффективно отбирать растения с наиболее желательными характеристиками, такими как вкус, цвет и размер, и выводить улучшенные сорта для выращивания. Однако сохранение таких ограниченных признаков может привести к снижению  генетического разнообразия , что может сделать растения более уязвимыми к болезням, вредителям и воздействию окружающей среды. Например, ирландский картофельный голод был отчасти вызван тем, что фермеры размножали свои растения таким образом, что каждая картофелина была клоном самой себя. Когда в 1840-х годах корнеплоды начали поражаться грибком, большая часть урожая сгнила, и около миллиона человек умерли от голода.

Чтобы избежать подобной сельскохозяйственной катастрофы, учёные, такие как Пратт, обращаются к диким сортам, поскольку они могут обладать ценными генетическими признаками, которые могли быть упущены из виду десятилетиями назад. «В популяциях диких тепари, вероятно, всё ещё существует значительное генетическое разнообразие, которого нет у культурных тепари», — сказал Пратт. Скрещивая дикий экземпляр, например, с чёрной или пинто фасолью, учёные могут вывести новый сорт, который будет лучше переносить столь же суровые условия окружающей среды, в которых процветал его сородич.

Однако первым шагом является поиск культур, которые могут предложить более выносливые генетические характеристики в дикой природе.

Подобно тому, как Пратт и его команда из Нью-Мексико искали дикую фасоль тепари, другие ученые-ботаники работают над сбором и сохранением близких диких родственников сельскохозяйственных культур, которые могут помочь в разработке адаптированных к климату сортов и обеспечении продовольственной безопасности для растущего населения планеты.

«Дикие сородичи культурных растений просто более устойчивы к более экстремальным условиям», — сказал Перин Макнелис, руководитель программы по сохранению местных растений в Borderlands Restoration Network, некоммерческой природоохранной организации в Южной Аризоне. «У них нет богатых питательными веществами почв и ежедневного полива, поэтому они просто более выносливы».

Пару лет назад команда Макнелиса вместе с сотрудниками Министерства сельского хозяйства США отправилась собирать дикий чилтепин, который обильно растёт под защитной тенью мескитовых деревьев и железного дерева на обширной охраняемой территории в горных каньонах пограничных земель. Учёные со всех уголков страны приезжают изучать этот крошечный круглый красный чилтепин, считающийся прародителем всех перцев. Этот острый перец также растёт в диком виде в некоторых районах Техаса, Нью-Мексико и Мексики.

По словам Макнелиса, коллекция образцов дикого чилтепина, отправленная в лаборатории Министерства сельского хозяйства США, поможет в будущих исследованиях и сохранении генетического материала, который может быть использован для выведения улучшенных сельскохозяйственных культур.

Более масштабная коллекция диких сортов сельскохозяйственных культур была собрана более чем 100 учёными из 25 стран в сотрудничестве с Crop Trust, международной некоммерческой организацией со штаб-квартирой в Германии. Эта инициатива, получившая название «Проект диких родичей сельскохозяйственных культур», финансировалась правительством Норвегии и совместно курируется Королевским ботаническим садом Кью.

В 2018 году учёные завершили шестилетние исследования дикорастущих растений в самых отдалённых уголках мира. В опубликованном  в следующем году отчёте  организация сообщила, что собрала более 4600 образцов семян 371 дикого вида, сородича одомашненных культур, для распространения в мировых генных банках, занимающихся сбором и хранением семян. Предполагается, что учёные и селекционеры смогут использовать эти семена для дальнейших исследований и разработок. Некоторые из найденных ими сортов вообще не были представлены в генных банках.

В некоторых случаях сборщики обнаружили, что некоторые дикие сородичи культурных растений исчезли из своих исторических мест обитания. Другие вернулись с образцами, которые ранее не встречались, включая крошечного дикого сородича фасоли обыкновенной, растущего недалеко от пляжа Коста-Рики. Учёные уже обнаружили полезные признаки в образцах семян, включая различные сочетания устойчивости к засухе, жаре и засолению у таких культур, как  морковь ,  сорго и  люцерна .

«Дикорастущие сородичи культурных растений либо игнорировались, либо забывались, либо рассматривались как угроза сельскому хозяйству», — сказал Луис Салазар, менеджер по коммуникациям Crop Trust. «Но они оказались настолько устойчивыми, что смогли найти способ выжить самостоятельно».

Салазар сказал, что именно эти качества устойчивости «нам нужны сейчас и будут нужны нам все больше и больше в будущем».

Дикие сородичи культурных растений могут быть выносливыми, но обычно они не подходят для культивирования, поскольку им не хватает качеств, необходимых фермерам, таких как хороший вкус и быстрый рост. Поэтому вопрос заключается в том, как вывести новые виды, которые сохранят полезные свойства культурных сортов, но смогут выживать в сложных условиях.

Выведение новых видов растений может осуществляться разными способами, но Пратт предпочитает традиционные методы селекции: в Нью-Мексико он выращивал различные сорта вьющегося, стручкового тепари на участке кампуса и других участках, чтобы проверить, насколько хорошо они адаптируются к полузасушливой почве. Он отбирает растения с нужными ему характеристиками, такими как засухоустойчивость и высокая урожайность, которые затем можно использовать для создания потомства с желаемыми характеристиками.

В рамках своего  исследования Пратт изучал потенциал культурных сортов тепари для получения высокой урожайности на разных высотах и ​​в условиях лёгкой и умеренной засухи. Он обнаружил, что «фасоли тепари требуется меньше воды, чем обычной фасоли, для получения сопоставимого урожая», — сказал он.

Охотясь на дикие тепари, Пратт и его коллеги надеются увеличить представленность этой устойчивой фасоли в коллекциях семян, растений и культур тканей, которые генные банки по всему миру сохраняют и передают фермерам, чтобы прокормить мир. Однако, по словам Пратта, всё ещё ведутся жаркие дискуссии о том, как лучше всего интегрировать этот полезный генетический материал в обычные сорта фасоли, устойчивые к жаре, или как потенциально повысить морозостойкость культурных тепари.

Традиционная селекция не лишена ограничений. Достижение желаемых результатов зачастую может занять много лет, и отбор определённых генетических характеристик без внедрения нежелательных признаков может быть затруднительным.

Достижения в области генетических технологий позволили ускорить селекцию растений. Гены растения подобны чертежу, описывающему его будущий вид и характеристики. Генетики растений могут идентифицировать интересующие их гены в этих чертежах быстрее, чем раньше, во многом благодаря всё более совершенным методам секвенирования ДНК, которые, по сути, позволяют полностью считывать генетический материал растений, чтобы идентифицировать гены и контролируемые ими признаки.

Например, учёные из Университета Макгилла в Монреале  секвенировали  ДНК почти 300 видов картофеля, включая дикие сорта, чтобы создать «суперпангеном» — полный набор генов вида. Для этого исследователи использовали генные банки, подобные тем, которые были созданы в рамках проекта «Дикие родственники культурных растений». По словам Шелли Янски, опытного генетика-исследователя Министерства сельского хозяйства США, секвенирование ДНК — это своего рода дорожная карта, упрощающая отбор признаков, повышающих устойчивость картофеля к болезням и неблагоприятным факторам окружающей среды.

«Этот пангеном действительно дает нам очень мощный инструмент для манипулирования генетикой картофеля и создания растений картофеля, которые будут лучше тех, что есть у нас», — сказал Янски, который недавно вышел на пенсию и не принимал участия в исследованиях, но специализируется на генетике картофеля.

Считывая и идентифицируя генетическую информацию, содержащуюся в клетках растений, можно сократить время, необходимое для выведения нового сорта сельскохозяйственной культуры, с двух десятилетий до нескольких лет. Селекционеры по-прежнему могут использовать традиционные методы, например, те, что использовал Пратт с его фасолью тепари, для выращивания сельскохозяйственных культур, но, используя секвенирование ДНК, они значительно сокращают время выращивания. Например, если селекционер хочет быть уверен, что выращиваемая им яблоня будет давать красные яблоки, он может просканировать ДНК семени на наличие этого признака, чтобы определить, яблоки какого цвета будут на этом дереве, вместо того, чтобы ждать, пока дерево вырастет и окрепнет, чтобы узнать это.

Некоторые учёные, участвующие в проекте «Дикие родственники культурных растений», также использовали секвенирование ДНК для выделения определённых признаков диких культур, таких как солеустойчивость, и включения их в новую генную линию в процессе, называемом «пребридингом». К середине 2021 года партнёры проекта внедрили генетический материал диких сортов для создания более 14 000 новых линий 19 культур. Большая часть этого материала хранится в различных генных банках по всему миру, и многие из них не культивировались, но некоторые были предоставлены  фермерам  для изучения их реакции на местные условия.

«Мы привлекаем их к оценке, чтобы понять, чего они хотят, и это играет важную роль», — сказал Салазар. «Фермеры не интересуются дикими сородичами просто как дикими сородичами. Им нужно растение, которое будет давать лучшие результаты, чем то, что есть сейчас».

Такие культуры не считаются генно-модифицированными, но редактирование генов, в частности Crispr, также позволяет вводить новые генетические признаки в растения гораздо быстрее, чем раньше. Crispr позволяет учёным модифицировать генетический код растений, вырезая, копируя или вставляя определённые гены.

«Технологии селекции развиваются, и это мы наблюдаем сейчас в селекции сои с первыми применениями редактирования генов с помощью CRISPR», — написал Дэниел Дебук, один из учёных из CIAT, присоединившихся к экспедиции в Нью-Мексико, в электронном письме изданию Undark. Он отметил, что представляется разумным, что другие виды бобовых, такие как тепари, могут оказаться в центре внимания этой технологии в ближайшие годы.

Однако генетически модифицированные культуры по-прежнему несут на себе клеймо и регулируются строже, чем их традиционные аналоги. Однако в период с 2019 по 2020 год количество генетически модифицированных культур, одобренных Министерством сельского хозяйства США, выросло с 7 до 70. Между тем, в мире нет единого мнения о генетически модифицированных культурах. В то время как некоторые страны и регионы считают эту технологию безопасной и приемлемой для производства продуктов питания, другие относятся к ней более осторожно.

Вернувшись в горный регион островов Скай на юго-западе Нью-Мексико, который простирается от пустыни, усеянной мескитовыми деревьями, до местности, усеянной дубами, на территории четырех штатов и двух стран, Пратт и его коллеги тщательно обследовали ландшафт на предмет наличия признаков бобов тепари.

Учёные обнаружили дикого предка культурного тепари там, где он, как известно, растёт лучше всего: на высоте от 1450 до 1800 метров. Они также собрали три других родственных вида, которые ранее не культивировались. И, несмотря на сравнительно небольшое количество спасённых семян, учёные привезли несколько растений, образцы почвы и ценные полевые наблюдения.

Сборщики семян тепари предполагали, что начало октября будет оптимальным временем для созревания семян. Но позднее выпадение скудных муссонных дождей в этом году задержало рост растений, сказал он.  « Они ещё незрелые, а прошлогодние растения были полностью сухими и уже сбросили семена», — сказал Пратт.

Доул из Министерства сельского хозяйства США посадит семена фасоли тепари в теплице Пуллмана, штат Вашингтон, а затем увеличит количество семян для бесплатной раздачи исследователям и селекционерам. «На это уйдут месяцы», — сказала она.

Осенняя экспедиция укрепила Пратта в убеждении в важности сбора диких сородичей сельскохозяйственных культур, которые могут исчезнуть из-за палящего солнца и наступления городов. За последние месяцы он несколько раз возвращался в дикую природу, чтобы спасти семена ещё не созревших растений.

По его словам, важнейшим шагом является сохранение вариативности генетических ресурсов растений, чтобы селекционеры и другие могли получить к ним доступ для удовлетворения различных потребностей в работе по улучшению сельскохозяйственных культур для более сухой и жаркой планеты.

«Возможно, в ближайшие пару десятилетий мы будем выращивать то, что можем выращивать, а не то, что хотим», — сказал Пратт. «И мы должны быть к этому готовы».

Lourdes Medrano “In the face of extreme weather, scientists look to adapt crops”

Перевод статьи «In the face of extreme weather, scientists look to adapt crops» автора Lourdes Medrano, оригинал доступен по ссылке. Лицензия: CC BY. Изменения: переведено на русский язык