Мировое производство продуктов питания сталкивается с беспрецедентными проблемами, поскольку численность населения к 2050 году, по оценкам, достигнет 10 миллиардов человек. Этот рост в сочетании с изменением рациона питания и увеличением спроса на биотопливо требует удвоения урожайности сельскохозяйственных культур в течение нескольких десятилетий.
Тем не менее, нынешние методы ведения сельского хозяйства неэффективны, а изменение климата усугубляет проблему. Повышение температуры — даже на скромные 2°C — может снизить урожайность сельскохозяйственных культур на 3-13%, угрожая глобальной продовольственной безопасности.
Для борьбы с надвигающимся кризисом исследователи сосредоточились на разработке “климатически безопасных” культур. Эти культуры нацелены на получение высоких урожаев в нормальных условиях, сохраняя стабильность при тепловом стрессе. Однако узкие места в селекции и оптимизации препятствуют прогрессу, что требует инновационных решений.
Физиологическая основа продуктивности сельскохозяйственных культур лежит в соотношении «источник-потребитель». Исходные ткани, в первую очередь листья, производят углеводы, такие как сахароза, в процессе фотосинтеза. Эти углеводы транспортируются в поглощающие ткани, такие как фрукты, семена и корнеплоды, где они используются для роста и хранения. Эта динамика определяет урожайность и качество урожая.
Разработка взаимосвязей между источником и потребителем для создания экологически чистых культур с более высокой урожайностью в обычных условиях и стабильными урожаями в условиях теплового стресса.
Ключевым игроком в этом процессе является фермент, кодируемый геном инвертазы клеточной стенки (CWIN). CWIN регулирует процесс превращения сахарозы в глюкозу и фруктозу в органах пищеварения. Эти сахара обеспечивают организм энергией и питательными веществами, необходимыми для развития плодов и семян, влияют на сладость фруктов и качество зерна.
К сожалению, тепловой стресс нарушает этот хрупкий баланс, подавляя активность CWIN, снижая репродуктивное развитие и снижая урожайность.
Это прорыв в селекции устойчивых к климатическим условиям культур.
В новаторском исследовании, опубликованном в журнале Cell, команда под руководством профессора Дж. Сюй Цао (Xu Cao) из Института генетики и биологии развития при Академии наук Китая представил новую стратегию селекции. Их подход, называемый оптимизацией распределения углерода с учетом климатических условий (CROCS), основан на манипулировании генами CWIN для улучшения распределения углерода в условиях теплового стресса.
Используя передовые инструменты редактирования праймеров, исследователи внедрили элемент теплового шока (HSE) из 10 пар оснований в промоторы генов CWIN элитных сортов риса и томатов. Эта генетическая модификация позволила CWIN активизировать свою деятельность в ответ на воздействие тепла, улучшив транспортировку углеводов к тканям. Результаты были замечательными.
В ходе многолетних испытаний томаты, модифицированные по стратегии CROCS, показали увеличение урожайности на 14-47% в обычных условиях. В условиях теплового стресса эта стратегия позволила избежать потерь урожая на 56-100%, увеличив урожайность плодов до 33%. Более того, качество томатов улучшилось, в том числе повысилась однородность и содержание сахара.
Аналогичные результаты были получены и у сортов риса. Урожайность увеличилась на 7-13% в обычных условиях и на 25% в условиях теплового стресса. В частности, благодаря этой стратегии удалось сократить потери зерна, вызванные высокой температурой, на 41%. Эти достижения знаменуют собой значительный шаг вперед в решении двойной задачи — прокормить растущее население и адаптироваться к изменению климата.
Преодоление проблем с разведением
Успех CROCS подчеркивает потенциал целенаправленных генетических модификаций для решения давних проблем с разведением.
В ходе многолетних испытаний томаты, модифицированные в соответствии со стратегией CROCS, показали увеличение урожайности на 14-47% в обычных условиях.
Традиционные попытки улучшить динамику «источник-поглотитель» часто заканчивались неудачей из-за сложности метаболизма растений. Например, попытки эктопической экспрессии CWIN часто приводили к снижению урожайности, что подчеркивает важность точной настройки экспрессии генов.
Стратегия CROCS направлена на решение этих проблем, ориентируясь на экологически чувствительные цис-регуляторные элементы. Рационально разрабатывая генетические модификации, исследователи могут оптимизировать метаболические процессы растений без ущерба для других свойств.
Этот подход не только повышает устойчивость растений к тепловому стрессу, но и предлагает масштабируемое решение для различных сельскохозяйственных экосистем.
Результаты этого исследования выходят за рамки риса и томатов. Профессор Команда Сюя уже применила стратегию CROCS к другим основным культурам, включая соевые бобы, пшеницу и кукурузу. Первые результаты свидетельствуют об аналогичном повышении урожайности и устойчивости к стрессам, что открывает путь к широкому внедрению.
Поскольку глобальные температуры повышаются, ночное потепление создает дополнительную проблему. Многие сельскохозяйственные культуры, включая помидоры и рис, особенно чувствительны к более высоким ночным температурам.
Коллектив профессора Сюя уже применил стратегию CROCS к другим основным культурам, включая сою, пшеницу и кукурузу.
Это явление, которое в настоящее время более распространено, чем дневное потепление, усугубляет проблемы распределения углерода. Стратегия CROCS напрямую затрагивает эту проблему, что делает ее универсальным инструментом для современного сельского хозяйства.
Профессор Сюй подчеркнул преобразующий потенциал этого подхода, описав CROCS как “универсальную систему, основанную на первичном редактировании, для быстрого улучшения урожая”.
Позволяя проводить точные генетические модификации, стратегия предоставляет исследователям мощные инструменты для изучения реакции растений на стресс и создания культур, адаптированных к климатическим условиям, с беспрецедентной скоростью.
На пути к устойчивому будущему
Важность адаптации сельского хозяйства к изменению климата трудно переоценить. Учитывая, что на карту поставлена глобальная продовольственная безопасность, инновационные стратегии, такие как CROCS, дают надежду. Используя возможности генетического редактирования, ученые не только повышают урожайность сельскохозяйственных культур, но и повышают устойчивость к непредсказуемым последствиям потепления на планете.
По мере того, как эти исследования охватывают все больше культур и регионов, потенциал смягчения последствий изменения климата и обеспечения продовольственной безопасности растет. Как для фермеров, так и для потребителей эти достижения указывают на многообещающий путь к устойчивому ведению сельского хозяйства в неопределенном будущем.
