Поскольку рост населения и изменение климата угрожают продовольственной безопасности, исследователи всего мира работают над преодолением проблем, угрожающих диетическим потребностям людей и скота. Сейчас пара ученых доказывает, что существуют знания и инструменты, которые помогут осуществить следующую сельскохозяйственную революцию, в которой мы так отчаянно нуждаемся.
Лаборатория Колд-Спринг-Харбор (CSHL) Профессор Зак Липпман, исследователь Медицинского института Говарда Хьюза, недавно объединился с Ювалем Эшедом, экспертом по развитию растений в Институте науки Вейцмана в Израиле, чтобы подвести итоги текущих и Будущие состояния науки о растениях и сельского хозяйства.
В их обзоре, опубликованном в журнале Science, приводятся примеры биологических исследований за последние 50 лет и освещаются основные генетические мутации и модификации, которые способствовали прошлым сельскохозяйственным революциям. К ним относятся настройка сигналов цветения растений для регулирования урожайности, создание растений, которые могут переносить большее количество удобрений или другой климат, а также внедрение гибридных семян для ускорения роста и защиты от болезней..
Полезные изменения, подобные этим, были впервые обнаружены случайно, но современная геномика показала, что большинство из них коренится в двух основных гормональных системах: Florigen, которая контролирует цветение; и Gibberrellin, влияющий на высоту стебля.
Липпман и Эшед предполагают, что в эпоху быстрого и точного редактирования генов следующие революции не должны ждать случайных открытий. Вместо этого, внося широкий спектр культур в изменения в этих основных системах, можно подготовить почву для преодоления любого количества современных проблем.
Карликовые и цветочные революции
Чтобы объяснить свою точку зрения, ученые рассмотрели исследования, посвященные ключевым моментам в истории сельского хозяйства, таким как Зеленая революция.
До 1960-х годов внесение удобрений для получения большого урожая пшеницы приводило к тому, что растения становились слишком высокими. Отягощенные своим зерновым изобилием, стебли пшеницы складывались и гнили, что приводило к потере урожая. Только после того, как лауреат Нобелевской премии Норман Борлоуг начал работать с мутациями, влияющими на систему гиббереллинов, пшеница стала более короткой и надежной культурой, которую мы знаем сегодня. Карликовость Борлоуга также применялась к рису, помогая многим полям выдерживать штормы, которые всего несколько лет назад были бы катастрофическими. Это повторное применение той же техники к другому заводу намекало на то, что в игре была основная система.
Более свежие примеры, упомянутые Липпманом и Эшедом, включают изменения, произошедшие с посевами хлопка в Китае. Там производители превратили обычно раскидистое растение с южной плантации в более компактный, быстроцветущий куст, лучше подходящий для северного климата Китая. Для этого они воспользовались мутацией, влияющей на флориген, который способствует цветению, и его противоположность, антифлориген..
Такого рода изменения связаны с работами Липпмана. Он часто работает с томатами и объяснил, что мутация Antiflorigen в томате также стала катализатором, превратившим средиземноморский виноград в крепкие кусты, выращиваемые сегодня в крупномасштабных сельскохозяйственных системах по всему миру. Что поразительно, сказал Липпман, так это то, что хлопок совершенно не похож на помидор.
«Эволюционно они очень разные с точки зрения филогенеза растений. И, несмотря на это, то, что заставляет растение переходить от образования листьев к цветению, одно и то же», - сказал он. «Эта основная программа глубоко законсервирована».
Точная настройка оборота
Как подробно описано в обзоре, это определило то, что делает сельскохозяйственную революцию. Основная система - гиббереллин, флориген или и то, и другое - подвергается мутации, в результате чего появляется какая-то полезная черта. По счастливой случайности растения, обладающие этой чертой, обнаруживаются нужным человеком.
Затем требуется еще много лет кропотливой селекции, чтобы настроить интенсивность этой мутации, пока она не повлияет на систему, как раз подходящую для устойчивого сельского хозяйства. Это похоже на настройку инструмента для получения идеального звука.
Липпман и Эшед отмечают, что редактирование генов CRISPR ускоряет процесс настройки. Тем не менее, они показывают, что лучшим применением редактирования генов может быть не просто корректировка ранее существовавших революционных мутаций, а выявление или введение новых.
«Если предыдущая настройка создавала генетические вариации вокруг этих двух основных систем, возможно, мы сможем внести больше разнообразия в эти системы», - сказал он. «Это, безусловно, уменьшит количество усилий, необходимых для выполнения этой настройки, и может преподнести некоторые сюрпризы, которые могут еще больше повысить урожайность или быстрее адаптировать культуры к новым условиям."
Будущее в… нуте?
Больше этого генетического разнообразия может также подготовить почву для новых сельскохозяйственных революций. Внеся генетическую изменчивость в эти две основные системы, определяющие большинство революций, фермеры могут избежать счастливой игры в ожидание. Одним из примеров является нут.
«У нас есть гораздо больше возможностей для создания большего генетического разнообразия, которое могло бы повысить продуктивность и улучшить адаптационное выживание в маргинальных условиях, например, в условиях засухи», - сказал Липпман..
Засухоустойчивость - это лишь одно из преимуществ малоиспользуемых культур. Прошлые революции позволили сельскохозяйственным культурам быть более урожайными или расти в совершенно новых полушариях. Наличие средств для продолжения этих революций с большим урожаем и с большей частотой было бы благом в перенаселенном, голодном и урбанизирующемся мире.
«Учитывая, что редкие мутации Florigen/Antiflorigen и Gibberellin/DELLA породили несколько революций в прошлом, весьма вероятно, что создание нового разнообразия в этих двух гормональных системах будет способствовать дальнейшему развитию сельского хозяйства», - пишут ученые.