Наперегонки с голодом. Как ученые собираются прокормить растущее население мира

Фермеры и селекционеры бегут наперегонки со временем. Население мира стремительно растет и нуждается во все большем количестве продуктов питания, но площадь обрабатываемых земель не бесконечна. Кроме того, повышение мировой температуры в одних регионах продлило сезоны урожая, а в другие принесло засухи и паразитов.

"Мы столкнулись с огромной проблемой с тем, как прокормить мир", – говорит доктор Ли Хикки, специалист в сфере генетики растений из Квинслендского университета в Австралии. – Статистика гласит, что к 2050-му году на планете будет почти 10 миллиардов людей, и нам понадобится на 60%-80% больше еды, чтобы всех прокормить. Но проблема становится еще серьезнее на фоне климатических изменений и болезней, которые влияют на культуры и тоже быстро эволюционируют".

Подгоняя природу

Но селекция растений – процесс медленный. Разработка новых видов зерновых культур, позволяющих получать более высокий урожай, отличающихся большей питательностью, устойчивостью к засухам и болезням, может занимать как минимум одно десятилетие. По крайней мере, при использовании традиционных методов. Поэтому специалисты работают над тем, чтобы повысить темпы.

Команда доктора Хикки уже некоторое время занимается "скоростной селекцией", строго контролируя свет и температуру, чтобы заставить растения расти на повышенных оборотах. Это позволяет исследователям собирать семена и начинать выращивать следующие поколения зерновых раньше, чем обычно.

Свой метод они разработали, вдохновившись экспериментами NASA по выращиванию пищи на борту международной космической станции. Освещая помещение красными и синими светодиодными лампочками на протяжении 22 часов в сутки, и поддерживая температуру на уровне 17-22 градусов по Цельсию, они обманом заставляют растения зацветать пораньше.

В прошлом году ученые показали, что могут вырастить до шести поколений пшеницы, ячменя, нута и рапса в год, в то время как традиционные методы позволяют собрать всего один или два урожая. Теперь доктор Хикки и его коллеги опубликовали работу в журнале Nature, в которой утверждают, что объединение ускоренной селекции с другими ультрасовременными методами (например, с генной инженерией) – лучший способ для создания ряда новых культур, а значит, и ключ к продовольственной безопасности будущих поколений.

"Мы говорим о создании фабрик для культивации растений в массовых масштабах", – говорит Хикки.

Как полагает Чарли Браммер, который в Калифорнийском университете в Дэвисе специализируется на селекции растений, в этой сфере наступила новая эра. Селекционеры и селекционные компании всегда пытались минимизировать время разработки новых видов зерновых, но теперь новые технологии позволяют добиться больших успехов, чем раньше.

Непросто, как картошка

Ботаники впервые начали выращивать растения под искусственным светом (угольными дуговыми лампами) 150 лет назад. С того времени LED-технологии позволили существенно улучшить точность, с которой ученые могут настраивать и регулировать световые параметры для отдельных видов растений.

Прогресс в генетике позволил оптимизировать время цветения и сделать растения более устойчивыми к суровым условиям теплеющей планеты. Новые инструменты, такие как CRISPR, позволяют ученым вырезать частички ДНК самого растения, которые делают его уязвимым перед болезнями. Доктор Хикки и его команда хотят опробовать эти "молекулярные ножницы" на ростках ячменя и сорго для модификации генов растений, а заодно применить к ним ускоренную селекцию.

Однако в некоторых случаях это проще сказать, чем сделать. Например, картофель и другие культуры, такие как люцерна, являются тетраплоидами (их клетки содержат по 4 набора хромосом). Допустим, селекционеру нужно удалить один из генов, который уменьшает урожайность, но еще три копии этого гена могут остаться в других хромосомах.

Такая модель наследования означает, что картофель можно разводить только путем сбора урожая и повторной посадки клубней. Так что скоростная селекция и генная инженерия могут ускорить размножение лишь до определенной степени, говорит доктор Бенджамин Стич, агроном-генетик в Дюссельдорфском университете имени Генриха Гейне в Германии.

Поэтому Доктор Стич и его команда обратились к методу, который называется геномный прогноз. Основываясь на знании о том, как различные гены влияют на рост и урожай, ученые составляют компьютерные модели, позволяющие предсказывать, какие растения будут иметь наилучшую комбинацию генов, обеспечивающую максимальную урожайность в поле.

"Теперь мы можем предугадывать различные характеристики с высокой достоверностью", – говорит доктор Стич. Его команда успешно опробовала данный метод, спрогнозировав уязвимость клубней перед фитофторозом, а также уровень содержания крахмала, урожайность и время созревания.

Новые технологии открывают для ученых большие возможности для улучшения зерновых по всему миру. И они готовы ими воспользоваться. Команда доктора Хикки планирует в течение следующих двух лет заниматься обучением селекционеров в Индии, Зимбабве и Мали.

"Очень важно убедиться, что это принесет пользу и фермерам в развивающихся странах", – отметил ученый.

В большинстве случаев для организации ускоренной селекции требуется минимальное количество навыков. Однако, по мнению доктора Хикки, одна технология не сможет решить все наши проблемы. "Нам понадобятся все доступные инструменты", – говорит он.

По материалам The New York Times