Как селекционеры кормят человечество
Растительные продукты — важная часть нашего рациона. Большую часть калорий человек получает из пшеницы, риса и кукурузы. Остальное приходится на менее популярные культуры: рожь, овес, фасоль, чечевицу и еще сотни других. Всем этим растениям постоянно угрожают вредители и болезни, а изменение климата только усугубляет ситуацию. На защиту продовольственного изобилия встают биологи, генетики и селекционеры. И если раньше их основной задачей было увеличение продуктивности, теперь ученые ищут новые технологические решения, чтобы влиять и на саму проблему — сокращать количество выбросов парниковых газов в процессе выращивания и сбора урожая. В партнерском материале с компанией Bayer N + 1 рассказывает, как селекционеры из разных стран мира решают проблемы продовольственной безопасности.
22 мая 2021 года скончался великий селекционер Лунпин Юань. Его работы по повышению продуктивности риса спасли от голодной смерти более 50 миллионов человек. Экспериментами по увеличению урожайности этой культуры он занялся в разгар голода 1959-1961 гг. Растущему населению КНР не хватало риса, и справиться с этим только увеличением площади посевов не удавалось; старые сорта были малопродуктивны.
В 1973 году Юань вывел первый в мире сорт высокоурожайного риса. Это был гетерозисный гибрид от двух далеких родительских форм — такое скрещивание, в отличие от близкородственного, приводит к увеличению устойчивости и продуктивности потомства.
Гетерозисную пшеницу получали уже в 1920-е годы, но с рисом все было сложнее. Как правило, рис является самоопыляемой культурой, поэтому получение гетерозисных гибридов риса до работ Юаня считалось невозможным. В 1966 году он опубликовал первую статью, которая описывала метод, доказывающий обратное.
Юань предложил использовать растения с цитоплазматической мужской стерильностью. В их митохондриальном геноме есть мутация, которая не позволяет производить пыльцу с мужскими гаметами; женские же гаметы в пестиках у этих растений — нормальные. Это позволяет получать гибриды, выращивая рядом стерильную родительскую линию и производителей пыльцы. Еще одну линию для этого метода нужно поддерживать искусственно для сохранения стерильности.
Дикий рис с мутацией мужской стерильности Юань нашел на острове Хайнань. В 1973 году он получил гибридный рис и собрал урожай подвида Индика примерно на 20 процентов выше лучших сортов. В 1978 году началось массовое производство семян новых растений. С тех пор Юань работал над повышением урожайности гибридного риса и неоднократно побивал собственный (он же мировой) рекорд.
Культурные растения дают более крупные и питательные плоды, чем их дикие предки, но часто проигрывают в устойчивости к неблагоприятным факторам окружающей среды. Поэтому для того, чтобы получить более устойчивые растения, ученые часто отправляются в регионы происхождения сельскохозяйственных культур в поисках диких, устойчивых предков культурных растений.
Однако прежде, чем выводить устойчивые сорта и гибриды, полезно определить, от каких неблагоприятных факторов следует защитить культуру в первую очередь. В 2012 году специалисты из фонда CGIAR опубликовали результаты большого исследования по бобовым, в выводе которого значилось: самой большой угрозой чечевице и фасоли в ближайшие десятилетия будет не бедность почв и не вредители, а жара и засуха.
Бобовые очень чувствительны к температуре: если ночью она держится выше 18-19 градусов, урожай вряд ли будет большим. К счастью, среди сортов, которые специалисты CGIAR выводили в поисках устойчивости к разным неблагоприятным факторам окружающей среды, обнаружилось много устойчивых именно к жаре. Многие жаро- и засухоустойчивые линии имели в родословной дикую остролистную фасоль, или тепари (Phaseolus acutifolius).
Устойчивость к засухе может быть присуща растениям с более длинными корнями — им легче добраться до воды, а может — растениям, которые быстрее других созревают. В ассортименте селекционеров из CGIAR есть варианты фасоли, которые плодоносят через 60 дней после посева вместо обычных 90. В идеале у засухоустойчивого сорта и корни длинные, и скорость созревания высокая. Именно такие сорта бобовых дали урожай во время страшной засухи 2016 года в Малави, когда обычные сорта значительно снизили урожайность.
На рис как на главный источник калорий полагается четверть миллиарда жителей Западной Африки. Но выращивать его на собственной земле они не могут: местные сорта риса, хоть и приспособлены к африканскому климату, почвам, вредителям и болезням, отличаются низкой урожайностью. Более мягкие стебли африканского риса ложатся на землю, когда зерно становится тяжелым, и легко осыпаются — из-за этого фермерам трудно собирать урожай. Поэтому страны Западной Африки импортируют почти весь рис, который потребляют.
Исправить ситуацию пытаются селекционеры проекта NERICA (New Rice for Africa, новый рис для Африки), которые работают над засухо- и жароустойчивыми и одновременно высокопродуктивными сортами и гибридами риса. Основная работа ведется по четырем видам риса: африканскому Oryza glaberrima, его диким родственникам — O. Barthii и O. longistaminata, а также азиатского O. sativa, риса посевного (последний растет также на Кавказе и Кубани).
Эти виды риса сами по себе не скрещиваются. Чаще всего при оплодотворении пыльцой другого вида не образуются семена. Чтобы получать гибриды разных видов, селекционерам приходится прибегать к довольно сложной технике сохранения зародышей (embryo rescue). Эмбрионы вырезаются вручную и сразу помещаются на питательную среду, что позволяет получать гетерозисные растения при несовместимых скрещиваниях; так получили гибрид риса для Африки.
Согласно мета-исследованию, проведенному Африканским Рисовым Центром в Кот-д’Ивуаре, использование гибридов риса с 2000 по 2014 год улучшило рацион и экономическое положение 8 миллионов человек в 16 странах Африки южнее Сахары.
Некоторые болезни растений опаснее других. А опаснее всех — новые, устойчивость к которым не успели выработать ни дикие предки культурных растений, ни самые удачные гибриды. Вирус коричневой морщинистости томатов и перцев (ToBRFV), появившийся в 2014 году, относится к таким болезням.
Впервые зарегистрированный в Иордании и Израиле вирус быстро начал распространяться — мог бы попасть в Россию, если бы не экстренно введенные карантинные меры. Он уже успел просочиться во многие европейские страны, и надежды на то, что границы будут долго сдерживать его — нет. Проведенные компанией Bayer эксперименты показали, что ToBRFV переносится насекомыми-опылителями, передается через воду и почву, садовый инструмент и многими другими способами.
Вирус коричневой морщинистости, покрывающий пятнами листья и уродующий плоды, принадлежит к обширному семейству тобамовирусов. Однако известные гены устойчивости к другим тобамовирусам не смогли защитить растения от новой инфекции. Защитные комбинации генов пришлось искать с нуля; к счастью, сделать это удалось довольно быстро.
Первые версии устойчивых к ToBRFV томатов не могли похвастаться стопроцентной эффективностью. Устойчивость может быть малой, средней и высокой; с малой растение успевает дать первые плоды, но может быть затронуто болезнью — и ее следы появятся на листьях и плодах позднее. Со средней таких следов будет мало или не будет вообще, с высокой — не будет совсем на протяжении всего жизненного цикла растения.
Томаты средней устойчивости к коричневой морщинистости появились на рынке в этом году; компания Bayer выпустила сразу несколько гибридов, включая розовый биф и сливовидные томаты. Распространить устойчивость к новому вирусу сразу на несколько гибридов удалось благодаря обширной библиотеке генетического материала и экспериментальным устойчивым гибридам, которые проявили резистентность к вирусу.
Иногда селекционеры работают не на повышение устойчивости, а на то, чтобы повысить содержание полезных веществ; это называется биофортификацией. Так, в Международном центре улучшения кукурузы и пшеницы (International Maize and Wheat Improvement Center) в Мехико выводят сорта пшеницы и кукурузы, зерно которых богато цинком.
Почти все работы центра выполняются методами традиционной селекции, но с использованием аналитических методов, которые позволяют скрещивать растения не вслепую, а ориентируясь на генетические данные и молекулярные маркеры высокого содержания цинка в зерне. Таких маркеров известно несколько десятков. Генов, которые отвечают за усвоение и хранение цинка, тоже немало; ученые еще только начинают понимать, какие комбинации заставляют растение накапливать цинк в больших количествах и запасать его в зернах.
Генотипы пшеницы и кукурузы, у которых можно найти гены, отвечающие за содержание цинка, в Центре ищут методом полногеномного поиска ассоциаций. Исследования указали на то, что нужные аллели могут быть найдены у разных сортов пшеницы, риса, ячменя и диких злаков из рода Brachypodium.
Биофортифицированные сорта могут решить проблему «скрытого» голода, при котором люди получают с пищей достаточно энергии, но недостаточно витаминов и минералов. В частности, от недостатка цинка в рационе страдает 17 процентов населения Земли, в основном в Азии и Африке; нехватка этого элемента приводит к болезням, от которых умирает более 400 тысяч детей ежегодно.
Бороться с недостатком микроэлементов можно с помощью пищевых добавок, но обогащать зерно надежнее: в отличие от добавок, оно гарантированно становится частью рациона. По той же причине зерна биофортифицированных сортов оказываются лучшим средством борьбы с недостатком минералов, чем удобрения, которые можно использовать для дополнительного насыщения зерна микроэлементами. Доказано, что употребление мучных продуктов из обогащенных цинком зерен укрепляет здоровье детей и беременных женщин.
Устойчивость к вредителям может возникать по разным причинам. Иногда стебли покрываются жестким восковым слоем, как у подсолнечника, устойчивого к огневке; в других случаях листья в местах повреждений быстро зарастают материалом, похожим на пробку — так устойчивые сорта винограда защищаются от филлоксеры. Но чаще всего растения защищаются от вредителей за счет выработки собственных веществ с инсектицидными свойствами; на закрепление генов, кодирующих выработку инсектицидов, чаще всего направлена селекция.
До семидесятых годов селекция устойчивых к вредителям генотипов представлялась очень сложной задачей — в то время более сложной, чем, например, отбор самых продуктивных сортов. За устойчивость к вредителям часто отвечает комплекс генов, более сложный, чем тот, что отвечает за продуктивность; кроме того, вредители одного вида могут использовать разные стратегии поиска и поражения растений.
Развитие технологий чтения и картирования генома в 70-е годы позволило американским селекционерам быстро создать сорта кукурузы, устойчивые к распространенному вредителю — Spodoptera frugiperda, кукурузной совке. Гусеницы совки наносили кукурузным полям огромный вред: они объедали листья и стебли, уничтожали точку роста растений — и те умирали; залезали гусеницы и в початки, проделывая в них многочисленные дырки. Устойчивые к совке сорта кукурузы оказывались для гусениц не такими привлекательными, как их предшественники, или вовсе отпугивали насекомых; многие сорта даже вырабатывали вещества, убивающие совку. Эти сорта и их новые гибриды до сих пор помогают бороться с нашествиями совки — теперь и в Африке.
Самые замечательные сорта культурных растений, выведенных в одной стране, могут быть совершенно непригодны для выращивания в другой — с другим климатом и другим набором болезней и вредителей. Европейские и американские сорта пшеницы, например, плохо подходят для Сибири — местных бедных почв, холодов, засух и короткого лета. Поэтому сибирские поля засевают семенами, которые выводят местные селекционеры. Все они отличаются большой морозостойкостью.
Но вывести один сорт мало; нужно постоянно адаптироваться к новым напастям. В Сибири в последние годы стала актуальна защита от бурой ржавчины — грибного заболевания, поражающего пшеницу. Сорта, устойчивые к этому заболеванию, выводят в Сибирском НИИ растениеводства и селекции ИЦиГ СО РАН.
Для этого используются сорта, которые хорошо показали себя в сибирском климате. Но ограничиваться только местными сортами нельзя — иначе гибриды получатся слабыми. Новые генотипы пшеницы для гибридизации берут из коллекции Всероссийского института растениеводства им. Вавилова — там хранится больше 40 тысяч образцов пшеницы и ее диких родственников.
Селекцию осложняет тот факт, что сорта с генами устойчивости к бурой ржавчине, как правило, оказываются плохо приспособлены к сибирским условиям. Селекционеры отбирают самые урожайные из устойчивых образцов и скрещивают их с популярными сибирскими сортами.
Дальше начинается отбор: из гибридного потомства только часть растений будет иметь нужные свойства. У пшеницы из-за сложности ее генома эта часть обычно бывает небольшой. Для выделения удачных гибридов пшеницу несколько раз пересевают: сначала в теплице, а потом на поле. Еще несколько лет уходит на тестирование перспективного сорта в полях. Выведение нового сорта занимает обычно больше десяти лет.
Новые устойчивые к засухе сорта помогают фермерам справляться с меняющимся климатом. Но сельское хозяйство само по себе — часть проблемы: техника, которая обрабатывает поля, вносит ощутимый вклад в эмиссию парниковых газов, которые приводят к глобальному потеплению. Помочь исправить ситуацию могли бы культуры, для обработки которых нужно тратить меньше усилий — а значит, и меньше топлива. Одна из самых перспективных в этом смысле культур — короткостебельная кукуруза.
У короткостебельной кукурузы початок стандартного размера, но с укороченным стеблем: обычная кукуруза достигает трех метров в высоту, а короткостебельная отличается укороченными междоузлиями и редко вырастает выше двух. Один из ключевых плюсов меньшего размера — возможность сократить количество удобрений, но получать сравнимый или даже более высокий урожай. Кроме того, умеренная высота защищает кукурузу от полегания и перелома стебля, от которых гибнет до половины урожаев кукурузы. Такой стебель в сочетании с развитой корневой системой делает короткостебельную кукурузу устойчивой к полеганию даже при сильном ветре.
Развитая корневая система делает короткостебельную кукурузу устойчивой и к засухе: длинные корни легче находят воду. Это в свою очередь позволяет сократить расход воды, топлива и человеко-часов на полив.
Следить за состоянием полей короткостебельной кукурузы тоже значительно проще, чем за полями обычной кукурузы: для осмотра полей трехметровых растений фермеры вынуждены поднимать дроны или легкие самолеты, а короткостебельные поля можно обходить пешком.
Наконец, растения короткостебельной кукурузы можно сажать плотнее друг к другу, чем растения обычной, поэтому она нуждается в меньших площадях для сравнимых урожаев; переход на короткостебельные сорта может снизить потребность в распашке новых земель — а значит, и в вырубке лесов.
Тренд на уменьшение длины стебля не нов; о преимуществах невысоких, экономичных растений еще в сороковые говорил «отец Зеленой Революции» в сельском хозяйстве Норман Борлоуг, и попыток «подрезать» кукурузу было сделано немало. Но существенно уменьшить высоту стебля, сохранив размер початка и зерен — не самая простая задача, и серьезные успехи начали появляться только в последние годы: так, в 2021 году компания Bayer закончила испытания короткостебельного сорта Vitala.