В борьбе с глобальным голодом: ученые нашли способ быстро выращивать культуры
С тех пор, как человечество впервые отправилось в космос в начале 20-го века, космические эксперименты вдохновили некоторые невероятные технологии, включая солнечные элементы, обогащенное детское питание, экономные системы жизнеобеспечения - и это лишь некоторые из них. Ученые Квинслендского университета (UQ), основываясь на результатах экспериментов НАСА по выращиванию пшеницы в космосе, разработали технологию «быстрого размножения» продуктов растениеводства на планете. Уэйн Ньютон, занимающийся выращиванием зерна, сказал, что исследование сельскохозяйственных культур имеет важное значение для будущего производства продуктов питания.
Продовольственная безопасность
Продовольственная безопасность — это серьезная проблема, стоящая перед человечеством. По сути, речь идет о том, как накормить растущее население планеты перед угрозой глобального изменения климата и надвигающего продуктового кризиса. На самом деле человек зависит от очень тонкой нити генетического разнообразия. По данным Продовольственной и сельскохозяйственной организации ООН (ФАО), более 50 % всех калорий человека поступает в организм из трех растений: риса, кукурузы и пшеницы.
США, Россия и Канада по результатам прошлого года являются крупнейшими мировыми экспортерами пшеницы, муки и пшеничных продуктов, помогая справиться с голодом многим странам.
Наибольшее количество пшеницы экспортирует Европейский Союз. В 2018 году ЕС закупил пшеницы и ее продуктов в количестве 22 миллионов тонн. По данным центра «Русагротранса», в агросезоне 2017/18 года Россия экспортировала рекордные 53,3 млн тонн против 35,5 млн тонн в прошлом периоде. С учетом зернобобовых и экспорта в ЕАЭС, общий объем поставок превысил 56 млн тонн. Таким образом Россия смогла вытеснить из тройки лидеров Австралию. По оценкам американских аналитиков, на резкий рост повлияли не только цена, но и качество российской пшеницы, которое значительно выросло в последнее время.
Всего четыре десятилетия назад Россия зависела от США, импортируя пшеницу и кукурузу, чтобы восполнить нехватку собственных урожаев. Однако за последнее десятилетие страна сумела стать крупнейшим в мире источником пшеницы, большая часть которой идет в Египет - крупнейшего в мире покупателя этих продуктов, - а также в Нигерию, Индонезию и Бангладеш.
Борьба за выживание
В настоящее время в мире производится более чем достаточно продовольствия, чтобы накормить всех, однако по данным ООН в 2018 году люди по-прежнему голодают. Ужасные цифры мировой статистики говорят о том, что 815 миллионов человек остались голодными, а это каждый девятый житель Земли. Издание отмечает, что хуже ситуация с недоеданием в Южной Америке и в большинстве регионов Африки.
По данным ООН в 2050 году население планеты достигнет 9,8 миллиарда человек, тогда запасы продовольствия будут испытывать гораздо больший стресс. Согласно информации Всемирного экономического форума, спрос будет на 60 % выше, чем сегодня. Изменение климата, урбанизация и деградация почв уменьшают доступность пахотных земель. В совокупности с проблемами нехватки воды, загрязнением окружающей среды и усугубление социального неравенства, очертание продуктовой катастрофы и ее последствия очевидны.
Среди тех, кто пытается снизить риск коллапса, - ученые из альянса Университета Квинсленда по инновациям в сельском хозяйстве и пищевой промышленности (QAAFI), применили технологию быстрого размножения, используя теплицы с подсветкой и температурой для ускорения роста растений и получения более толерантных культур. Старший научный сотрудник, доктор Ли Хикки, который руководил программой более десяти лет, сказал, что на разработку новых культур для борьбы засухой и устойчивостью к болезням могло потребоваться более 20 лет, но новая технология использования теплиц позволила достичь этих результатов в два раза быстрее.
Космическая эра селекции
Современные темпы улучшения ряда важных сельскохозяйственных культур в мире не отвечают потребностям будущего. Основной причиной этого является длительное время генерации сельскохозяйственных культур. Новый австралийский метод, называемый «скоростное размножение», значительно сокращает его, тем самым ускоряет программы разведения и исследования. Скоростная селекция обеспечивает до 6 поколений в год для яровой пшеницы, ячменя (Hordeum vulgare), нута (Cicer arietinum) и гороха (Pisum sativum) и дает 4 поколения канолы (Brassica napus) вместо 2–3 при нормальных условиях вызревания в теплицах.
Было установлено, что быстрое размножение в полностью закрытых камерах роста в контролируемой среде может ускорить развитие растений в исследовательских целях, включая фенотипирование признаков взрослых растений, исследования мутантов и трансформацию. Использование дополнительного освещения в тепличной среде обеспечивает быструю смену поколений за счет спуска одного семени (SSD) и возможность адаптации к более масштабным программам улучшения урожая.
В реферате команда Хикки заявляет: «Мы предусматриваем большой потенциал для интеграции скоростной селекции с другими современными технологиями, включая высокопроизводительное генотипирование, редактирование генома и селекцию генома, ускоряя темпы улучшения урожая». Исследователи рассматривают скоростное размножение как полезную технологию вертикального земледелия, которая может значительно увеличить урожайность в городских хозяйствах.
Селекционный сорт DS Faraday
Для экспериментов использовался сорт пшеницы DS Faraday. Это пшеница с высоким содержанием белка и устойчивостью к прорастанию. Австралийские ученые ввели гены для «покоя» зерна, чтобы сорт мог лучше справляться с влажной погодой во время сбора урожая, что является проблемой, которую ученые из Австралии пытались решить в течение 40 лет. Технология скоростного размножения помогла решить эту задачу.
Доктор философии UQ Эмма Уотсон, соавтор тематики, провела ключевые эксперименты, которые задокументировали быстрый рост растений и гибкость системы для нескольких видов культур. При этом выполнялся контроль показателей окружающей среды вызревания рассады до полного созревания, температура и продолжительность освещения. Было экспериментально доказано, что увеличение периода освещения с помощью дополнительного средства значительно сокращает время генерации урожая на десятки дней. Растения приобретают эффективную плотность, что помогает им расти быстрее. В настоящее время исследуется интеграция скоростной селекции с другими современными технологиями селекции. По мнению д-ра Хикки, метод может найти отличное применение в будущих системах вертикального земледелия и некоторых садовых культурах.
Российское направление: светокультура растений
На самом деле «австралийское открытие» не такое уж новое, по крайней мере, в России. Замена естественного на искусственное освещение в опытах с растениями исследовались, начиная со второй половины 19-го века. Переломным стало начало прошлого века, когда русский ученый Н. А. Максимов (1925) вырастил растения " от семени до семени", используя исключительно искусственный свет. Таким образом, экспериментально была доказана возможность прохождения полного цикла роста и развития без солнечного света и обосновано новое направление растениеводства - "электросветокультура растений", позже получившее название "светокультура растений". Долголетний научный опыт приобретался не в поле, а в особенной, для того приспособленной, физиологической лаборатории, на так называемой опытной станции физиологического типа. В настоящее время такой станцией является фитотрон, т. е. лаборатория искусственного климата.
В Санкт-Петербургском Агрофизическом научно-исследовательском институте опыты с растениями под искусственным светом проводятся с 30-х годов прошлого века. В его лабораториях на протяжении ряда лет исследуются онтогенез и продуктивность в искусственных, полностью контролируемых условиях. На основании полученных результатов разрабатываются методы ускорения селекционного процесса при выращивании в простых, надежных в эксплуатации и недорогих осветительных установках.
В России вопрос об искусственном освещении растений различных спектральных параметров начиная с 60-х годов 20-го века также глубоко исследовался Московским государственным университетом. Этой темой давно занимаются в Институте биологии Карелии. Доктор биологических наук М. И. Сысоева и профессор Петрозаводского государственного университета Е. Ф. Марковская исследовали, как влияет постоянное освещение на жизнедеятельность растений. Были изучены разные аспекты акклиматизационных проблем в теплицах, вызванных продолжительным фотопериодом при постоянном освещении. Установлено опытным путем, что непрерывный процесс увеличивает скорость развития, продуктивность и фотосинтез.
В наших хозяйствах давно и широко применяется низкоинтенсивное освещение при выращивании рассады томатов и баклажанов. Опыт австралийских ученых с учетом применения новейших технологий освещения и селекции достиг большего результата, но эффективность применения его для трансконтинентальной страны еще предстоит подтвердить.