Лабораторные и полевые эксперименты неоднократно демонстрировали, что модификации процесса фотосинтеза или физических характеристик растений могут сделать культуры более устойчивыми к высоким температурам.
Учёные могут теперь изменять количество или ориентацию листьев, изменять химический состав листьев для повышения термостойкости и регулировать ключевые этапы процесса фотосинтеза, чтобы преодолеть узкие места, сообщают исследователи в обзоре, опубликованном в журнале Science.
Хотя эти изменения могут компенсировать некоторые потери, связанные с повышением глобальной температуры, их нелегко внедрить в масштабе, который потребуется для обеспечения продовольствием мира, отмечают авторы.
«Временной промежуток от выявления полезной черты до её внедрения в поле фермера велик», — сказал Дональд Орт, написавший обзор вместе со Стивеном Лонгом и Карлом Берначчи, профессорами наук о сельскохозяйственных культурах и биологии растений в Университете Иллинойса в Урбане-Шампейне. «Цикл селекции для традиционного признака может составлять от 10 до 12 лет».
Изменение экспрессии генов в растениях с помощью биоинженерии происходит быстрее, но для разработки регуляторных рамок требуются годы лабораторных и полевых испытаний, — сказал Лонг.
«Учитывая высокую стоимость вывода биоинженерной черты на рынок, вы хотите быть уверены, что она работает везде. Она проходит через множество полевых испытаний в разных местах, что вместе с юридическими издержками обходится очень дорого», — сказал он.
«Вы должны показать, что белок, который вы ввели в растение, не токсичен, и вам нужно подготовить очень большой законодательный документ, чтобы соответствовать всем требованиям. Существуют различные оценки, но чаще всего называют цифру в 115 миллионов долларов для одного трансгенного признака, чтобы его легализовать, и более 16 лет, чтобы пройти путь от изобретения до систем семеноводства».
Однако некоторые альтернативные подходы используют редактирование ДНК для увеличения количества и/или экспрессии генов, которые уже есть в растении, что не предполагает введения чужеродной ДНК и позволяет избежать многих связанных с этим затрат, — сказал Лонг.
В лабораторных экспериментах и полевых испытаниях уже были протестированы и подтверждены многие потенциальные подходы к повышению устойчивости сельскохозяйственных культур к тепловому стрессу, — сказал Лонг. Одно из вмешательств включает изменение ориентации листьев в кроне сельскохозяйственных культур — путём селекции растений или биоинженерии — для оптимизации распределения света по всему растению, повышения эффективности использования воды и минимизации обжигания листьев при высоких температурах.
Другие методы включают повышение отражательной способности листьев растений или регулирование потери воды через поры в листьях растений без снижения продуктивности.
«Многие исследования сосредоточены на Рубиско, наиболее распространённом белке на нашей планете, и на растительном ферменте, через который углекислый газ усваивается в культуре и нашей пище», — сказал Лонг.
Молекула Рубиско и связанные с ней белки различаются у разных видов растений, причём некоторые из них работают лучше других в условиях повышенной температуры и освещённости. Моделирование показывает, что наделение соевого растения более эффективным ферментом Рубиско от другого вида улучшило бы его производительность в более жарких условиях.
Учёные также могут манипулировать распределением хлорофилла в листьях растений, чтобы нижние листья могли улавливать больше света, который проходит через крону. Это, наряду с изменением ориентации листьев, повысит эффективность фотосинтеза, а также поможет более равномерно распределять тепловую нагрузку по всему растению.
Исследуются и многие другие направления, но выбор времени имеет решающее значение для преодоления проблем, связанных с повышением температуры из-за изменения климата. Прогнозируемое повышение температуры в период с 2010 по 2050 год, как ожидается, «снизит урожайность основных зерновых культур на 6–16% на фоне потенциального роста спроса более чем на 50% за этот период», — сообщают авторы.
«Существуют реальные возможности для борьбы с повышением температуры, для защиты урожая от повышения температуры в будущем», — сказал Лонг. «Это не невозможно. Но это потребует значительных, очень значительных усилий».
Авторы являются сотрудниками Института геномной биологии Карла Р. Вёзе, Центра передовых исследований в области биоэнергетики и биопродуктов и проекта «Реализации повышения фотосинтетической эффективности». Лонг и Орт — почётные профессора биологии растений и сельскохозяйственных наук.
Предоставлено Университетом Иллинойса в Урбане-Шампейне.