Адрес e-mail:

Поможет ли биотехнология растений решить проблему голода

Руководитель лаборатории трансляционной геномной биоинформатики МФТИ Антон Буздин вместе с академиком РАН  Евгением Свердловым и сотрудником Курчатовского института Максимом Патрушевым дали анализ роли редактирования генома  в «квантовом скачке» повышения урожайности и, похоже, нащупали предел возможностей биотехнологии (на основе статьи в журнале Plants). 

Ограниченные ресурсы землепользования при растущем населении уже давно стали глобальной проблемой. Обеспечить достаточную урожайность без расширения посевных площадей — это трудная задача, которую, на первый взгляд, можно решить с помощью современных технологий, но хватит ли их потенциала без повсеместного применения ГМО и регулирования прироста населения? Научные и статистические данные не дают особых поводов для оптимизма. 

Многие ученые считают, что Земля близка к тому, чтобы достичь своих пределов с точки зрения производства и воспроизводства запасов продовольствия, так что этот процесс уже угрожает сохранности биосферы:

  • на него приходится 21–34% мировых выбросов парниковых газов; 
  • общая площадь орошаемых земель увеличилась с 1960-х годов вдвое;
  • сельское хозяйство сейчас обеспечивает около 70% забора пресной воды в мире;
  • за это же время глобальное использование удобрений увеличилось в четыре раза, что привело к увеличению их сброса во внутренние воды, вызывая цветение и подрывая устойчивость экосистем. 

Расширение площади сельскохозяйственных земель не только повысит содержание парниковых газов в атмосфере, но и повлечет сокращение биоразнообразия из-за обезлесения и осушения. В 2009 году была выдвинута интересная концепция, названная «рамкой планетарных границ». Она определила «безопасное рабочее пространство для человечества». Концепция гласит, что человечество не должно нарушать девять планетарных границ. Эти границы связаны, соответственно, с девятью процессами, такими как изменение климата; перераспределение биогеохимических потоков, особенно в части азота и фосфора; истощение плодородия земель; использование пресной воды; аэрозольное загрязнение; истощение озонового слоя; закисление океана; потеря устойчивости биосферы, включая утрату генетического биоразнообразия; а также выделение отравляющих и условно токсичных веществ. 

Таким образом, миру остро необходимы новые генетические технологии инженерии сельскохозяйственных растений, которые помогут выйти за современные пределы потенциальной урожайности. В настоящее время уже широко применяются три стратегии: селекция мутантных растений, генная инженерия и направленная модификация. Мутационная селекция заключается в воздействии на семена химикатами или радиацией для получения желаемых характеристик при скрещивании с другими сортами. Генная инженерия позволяет создать желаемые варианты генома организма-объекта, а методы синтетической биологии — синтезировать протяженные фрагменты ДНК с желаемыми последовательностями. Но все эти методы имеют также и свои ограничения. 

Современное сельское хозяйство уходит корнями в «зеленую революцию», начавшуюся с внедрения высокоурожайных сортов пшеницы и риса в 1960-х годах. В этот период, например, производили селекцию пшеницы, имеющей короткие и прочные стебли, которые лучше выдерживают больший груз семян. 

За последние 50 лет технологии «зеленой революции» привели к увеличению производства зерновых на душу населения на 30%. Однако она имела серьезные непредвиденные последствия: более 90% потерь генетического разнообразия сельскохозяйственных культур за счет переориентации на три вида растений: рис, кукурузу и пшеницу, обеспечивающие около 60% всего урожая.
 
Тем не менее, даже преодолев стрессовые барьеры, мы наталкиваемся на теоретические пределы урожайности сельскохозяйственных культур. 

Теория пределов урожайности в сельском хозяйстве гласит, что экологические ограничения не позволяют культурам реализовать свой генетический потенциал даже в лучших полевых условиях. Продуктивность биомассы и съедобный урожай оказываются намного ниже прогнозируемого максимального выхода. Согласно этой теории, процесс фотосинтеза может быть ключом к увеличению генетического потенциала урожайности. Поэтому лучшее понимание механизмов фотосинтетических процессов и их биоинженерия могут привести к разработке стратегий повышения урожайности.

Ожидается, что появление точных инструментов редактирования генома произведет революцию в способах создания новых сортов растений. Сегодня наиболее часто используется система редактирования CRISPR/Cas9. Она применялась более чем для 20 сельскохозяйственных культур с целью улучшения желаемых признаков, а также повышения урожайности и устойчивости растений к стрессам. CRISPR/Cas9 обладает уникальной способностью проводить генетические изменения незаметно, что позволяет легко обойти регуляцию оборота ГМО и вызвать лавинообразный рост таких продуктов на рынке. Однако это способно привести к драматическим экономическим, этическим и экологическим последствиям.

Несмотря на огромный прогресс, влияние геномики на улучшение сельскохозяйственных культур все еще далеко от удовлетворительного. Во многом это связано с отсутствием эффективных подходов к системной инженерии растений, когда каждое новое изменение вписывается в общий благоприятный контекст. 

Можно резюмировать, что революционный прорыв в повышении предела урожайности путем селекции растений даже с использованием отдельных модификаций единичных генов маловероятен. С одной стороны, существуют узкие места в технологиях и сам предел урожайности, а с другой — действует ограничение на использование ГМО во многих странах. 

Не будем забывать, что существует 20–30-летний промежуток между демонстрацией инновационных решений на экспериментальном уровне и их введением в севооборот фермерами. Полевые испытания с участием генетически модифицированных растений немногочисленны во всем мире. Например, на территории ЕС они не проводятся в принципе из-за строгой регуляции ГМО. Таким образом, при неизменности ситуации с регуляцией инженерии растений одни только технологии, взятые сами по себе, будут бессильны прокормить быстро растущее население.

И все же внушает надежду, что сочетание прогресса исследований естественного разнообразия растений и бактерий с генной инженерией сможет обеспечить более устойчивый глобальный рост источников пищи, хотя бы и в долгосрочной перспективе.


Источник: За науку


Если вы заметили в тексте ошибку, выделите её и нажмите Ctrl+Enter.

© 2001-2022 Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)

Противодействие коррупции | Сведения о доходах

Политика обработки персональных данных МФТИ

Техподдержка сайта | API

Использование новостных материалов сайта возможно только при наличии активной ссылки на https://mipt.ru

МФТИ в социальных сетях