Как ученые готовят сельское хозяйство к изменению климатических условий

Про глобальное потепление и его последствия не говорят разве что ленивые. С изменением климатических условий традиционные сельскохозяйственные культуры не будут расти в привычных ареалах.

Поэтому уже сегодня ученые заняты поисками организмов, которые обитают в экстремальных условиях нашей планеты, для разработки и создания более выносливых культур. Больше – в адаптированном переводе статьи с ресурса Futurism.

Каждый год небольшая группа исследователей совершает опасное путешествие к удаленному уголку Тибетского плато, также известного под названием «Крыша мира», крупнейшего и самого высокого плато планеты, раскинувшегося на высоте примерно 5 км над уровнем моря. Говорят, воздух там самый чистый в мире, а бесплодным ландшафтом, сформированным мощными ветрами, снегом и меняющимися температурами, разбросаны доисторические озера. Попасть туда «просто»: добраться до Катманду в Непале или в Чэнду в Китае, осуществить короткий перелет через самые высокие горы в мире, а потом с неделю шагать, преодолевая высотную болезнь и уклоняясь от постоянных камнепадов, а в дождливое время – с удвоенной осторожностью, ведь и люди, и автомобили нередко срываются в пропасть из-за скользкого грунта. Из года в год ученые пересиливают себя ради сбора образцов уникальных растений и микробов, которые, несмотря на все, живут и процветают в условиях среднегодовой температуры -4°C, низкого уровня кислорода, замороженного грунта и сильного ультрафиолетового излучения. Тибетское плато – одно из самых экстремальных сред на Земле. А климатические изменения лишь усиливают эти неприветливые условия. Исследователи подозревают, что подобная среда может свидетельствовать о том, каким станет мир, если климат на планете изменится до самых радикальных прогнозов экспертов.

Климатические изменения уже подтолкнули ученых к созданию сельскохозяйственных культур, способных выдерживать более широкий спектр условий окружающей среды, чтобы обеспечить человеческую популяцию, которая стремительно растет, продовольствием. Некоторые ученые считают, что экстремофилы – организмы, которые процветают в экстремальных условиях – играют ключевую роль. Впрочем, сначала специалистам необходимо понять, как растения развивались в течение тысячелетий, чтобы выжить в таких жестких условиях. Хотя в настоящее время были выполнены лишь незначительные исследования генома растений Тибетского плато, региона, который является наиболее биологически разнообразным из всех экстремальных ареалов в мире.

«Понимание того, как организмы адаптируются к экстремальным условиям, может стать весомым вкладом в эволюционную экологию», – утверждает Тикао Чжан (Ticao Zhang), доцент кафедры ботаники Китайской академии наук в Пекине.

Ценность экстремальных условий

Жизнь бурлит там, где мы меньше всего ожидаем, – под полярной льдом, внутри горячих источников, на истощенных почвах гималайского плато. И процессы, которые позволяют организмам выживать в таких условиях, распространяются не только на микробы. Ученые неоднократно исследовали, как развивались люди и позвоночные, чтобы адаптироваться к средам с низким содержанием кислорода, мощным солнечным светом или холодными температурами, и пришли к выводу, что отличные формы жизни, которые возникают в результате таких приспособлений, могут, в некоторых случаях, быть генетически уникальными.

«Экстремальные среды, по нашему мнению, являются домом для еще не изученного нами биологического разнообразия», – отмечает Никос Кирпидес (Nikos Kyrpides), руководитель программы биологии генома в Объединенном институте генома Министерства энергетики США. Эта программа приглашает ученых со всего мира предоставлять свои генетические образцы, к примеру, почвы, растений и микробов, для расшифровки генетической последовательности и анализа. Ученый объясняет, что поверхности океана и почвы планеты широко изучались, а геномы многих найденных организмов были расшифрованы, «но есть удаленные среды, например, морская глубина, которые едва можно считать изученными. И мы видим, что там нас ждет множество открытий». Находки ученых в экстремальных условиях могут быть полезными для человеческой пищевой промышленности и безопасности.

«Многие животные постоянно живут в условиях температур ниже 0°C. Они потенциально могут иметь некоторые полезные для общества функции, – объясняет Мелоди Кларк (Melody Clark), молекулярный биолог проекта “Британское исследование Антарктиды” при Совете природоохранных исследований Великобритании. – Исследователи могут изучать различные виды, которые живут в подобных условиях для поиска ферментов, которые помогают им хорошо адаптироваться к низким температурам. Это – потенциально полезные данные для промышленных товаров, ведь нам не нужно будет использовать дополнительную тепловую энергию».

Ученые могут использовать ферменты, экстрагированные из экстремофилов, которые живут при температуре ниже 0°C, для получения моющих средств, эффективных при комнатной температуре, или для обработки сыра и вина в промышленных масштабах. Некоторые микроорганизмы, которые приспособились к выживанию в условиях сильно загрязненной среды, даже обеззараживают загрязненную воду, процесс, который ученые называют «биоремедиацией». Поскольку ожидается расширение горячих и засушливых регионов, человечеству необходимо понять процессы, происходящие в организмах, которые уже живут в подобных условиях, и добавить их гены к традиционным культурам. Например, агава и алоэ выживают в условиях высоких температур и засухи, теряя чрезвычайно малое количество воды во время дыхания. Крошечные поры этих растений, которые называются «стоматами», запрограммированы так, чтобы оставаться закрытыми в течение дня и открытыми ночью, когда температура падает, таким образом получая углекислый газ без значительной потери воды в процессе.

Другим примером экстремальной адаптации является «воскресение» растений, которые увядают во время сухих периодов и возвращаются к жизни при условии поступления воды.

«Понимание этих процессов, – продолжает Кларк, – поможет нам выяснить, можем ли мы «привить» подобные признаки сельскохозяйственным культурам».

За десять лет исследований на Тибетском плато китайско-британская команда исследователей установила несколько видов растений и бактерий, которые эволюционировали, чтобы противостоять экстремальным ветрам, недостатку воды и резким изменениям температур. Группа описала геномы исследованных видов в серии статей, опубликованных в ряде научных журналов в 2009-2016 годах. «Наша работа показывает, что различные виды разработали различные механизмы адаптации к экстремальным условиям Тибетского плато, – говорит молекулярный биолог Джеймс Краббе (James Crabbe) из Оксфордского университета, который принимал участие в нескольких экспедициях на Тибетское плато. – К примеру, у некоторых растений развились другие структуры клеточной стенки и модели воспроизводства».

Клетки общаются друг с другом через серию химических сигналов, которые контролируют различные функции, например, воспроизведение и форму новых клеток. Благодаря своей работе на Тибетском плато исследовательская группа установила, что изученные ими растения и бактерии содержат специфические гены, которые сигнализируют клеткам создавать прочную внешнюю мембрану, что уменьшает потери воды и лучше приспосабливает их к противостоянию в жесткой среде. Гены растений также отвечают за повышение уровня аминокислоты, которая защищает ключевые участки клетки от вредных УФ-лучей. Краббе отмечает, что гены, которые помогают организмам выживать в условиях большого количества углекислого газа или небольшого количества воды, позволят растениям выжить в будущих климатических изменениях на планете. И хотя растения на Тибетском плато приспосабливали свои геномы в течение тысячелетий, ученые надеются, что с помощью генной инженерии они смогут изменить геномы современных растений значительно быстрее.

Все больше исследований свидетельствует о том, что в течение нескольких следующих веков климат Земли кардинально изменится. Несмотря на мировые усилия если не остановить, то хотя бы замедлить процесс, нас ожидает другой мир, значительно суше. Ученые утверждают, что население планеты будет продолжать расти, а в сочетании с изменениями климата это может означать крах целых пищевых систем в определенных регионах, то есть смерть или перемещение миллионов людей. Рекомендуют забыть и о стабильности цен на продукты, ведь ураганы и засухи угрожают уничтожить урожаи.

«В эволюционном смысле у нас нет времени на адаптацию, – говорит Найджел Хэлфордом (Nigel Halford), специалист по вопросам урожая неприбыльного исследовательского института Rothamsted Research в Великобритании. – Перед агрономами-селекционерами стоит вызов – создать новые сорта культур для среды, которой еще не существует».

От Тибета до кухонного стола

Изучение геномов – лишь начало долгого пути потенциальной интеграции определенных признаков в наши сельскохозяйственные культуры. Во-первых, ученые должны убедиться, что именно эти генетические изменения лежат в основе конкретных адаптаций, а не какие-то случайные мутации или другие, не учтенные исследователями факторы.

«Мы имеем доказательства того, что определенные гены ярко выражены в растениях, которые выживают в экстремальных климатических условиях, – рассказывает Краббе. – И возникает вопрос: действительно ли эти гены участвуют в адаптации?»

Поэтому группа изучает физиологию растений и микробов, чтобы дать ответ на этот вопрос. Для этого ученые выращивают растения в контролируемых условиях, пытаясь понять, как уникальная генетика и белки растений, собранных на Тибетском плато, выражаются в выносливости, что обеспечивает выживание вида. К примеру, некоторые растения цветут быстрее, чтобы сохранить энергию.

Одни ученые акцентируют внимание на понимании того, как растения выживают, другие – изучают способы продуцирования большего количества сельскохозяйственных культур на меньшем пространстве, как вот специалисты из Университета штата Иллинойс, которые исследуют, как повышение температуры и ограничение воды влияет на сою и кукурузу. Ученые ставят целью выделить генетические черты, которые хорошо будут работать в будущих условиях окружающей среды, и таким образом вывести новые сорта. Стив Лонг (Steve Long), один из исследователей, говорит: «Возможность самостоятельно создать культуры, которые выживают в таких условиях, безусловно, – один из необходимых нам инструментов. Не думаю, что существует универсальное решение проблемы, а учитывая срочность ситуации, стоит испытывать все методы».

Метки:

...
  1. Последние новости
  2. Популярные новости

Популярные новости сегодня

Шенгенская виза: категории и оформление рейтинги Украины
Реклама

Это интересно...

Соглашение об ассоциации

Мероприятия в ЕС

О нас

Метки