Полная версия
От пробирки до кастрюли: Как ученые разрабатывают продукты, которые мы едим каждый день
Чтобы исправить положение, как нельзя лучше подходит прививка на ГМ-подвой с усиленно вырабатываемыми генами цветения. Тогда из корневища к листьям будут поступать специфические белки, запускающие механизм взросления, и привой начнет цвести гораздо быстрее (рис. 8Б).
Чуть более радикальный способ приблизить сроки цветения и плодоношения, тем самым ускорив получение нового сорта, – изменить ДНК растения, но лишь временно (рис. 8А). Ген быстрого цветения можно ввести в исходный сорт, а на последнем этапе селекции – вывести. Для этого используют возвратное скрещивание, когда гибрид объединяют с родительским растением.
Рис. 8. Различные методики скрещивания растений: А – использование ускоренного и возвратного скрещиваний для получения устойчивого к заболеванию гибрида; Б – прививка на ГМ-растение
Наконец, сократить время работы селекционерам помогает простое умение читать ДНК. Анализируя геном молодых ростков, можно не ждать, когда те повзрослеют и дадут урожай, а сразу отбирать лучшие. А чтобы понять, насколько растение устойчиво к патогену или гербициду, необязательно проводить полевые испытания, достаточно просто подтвердить наличие нужных элементов генома в пророщенном семечке.
Селекцию, при которой растения выбираются исходя из их генетических показателей, называют маркер-вспомогательной, потому что главную роль в ней играют короткие последовательности ДНК – молекулярные маркеры, наследуемые вместе с ценными признаками. Ученые берут у растений небольшой образец листа, ищут эти маркеры и затем делают выводы о наличии или отсутствии у них ценных признаков в будущем. Сейчас это уже рутина. А в последние годы, со снижением цен на маркерное детектирование, площадь применения такой технологии расширилась еще больше. Теперь ее используют не только для создания новых сортов, но и для определения качества семян. Например, фермеры могут сдать в лабораторию новый семенной материал и проверить его принадлежность к дорогим элитным сортам. Или же проанализировать собственные семена, прошедшие несколько циклов культивирования, чтобы оценить степень расщепления генов (снова вспоминаем второй закон Менделя) и понять, можно ли их сажать снова без потери урожая.
Получается, даже если оставить в стороне ГМО, геномные технологии все глубже внедряются в сельское хозяйство. От секвенирования (расшифровки) ДНК отдельных организмов ученые со временем перешли к сбору и анализу данных о геномах множества растений одного вида или разных сортов. Эти данные, в свою очередь, сравниваются с результатами анализа транскриптомов – всех синтезируемых организмами мРНК, протеомов – всех белков, метаболомов – всех метаболитов. Объемы обрабатываемой информации растут, а методы работы совершенствуются.
Такой комплексный подход в перспективе поможет еще больше узнать о хранении и передаче генетической информации у растений. Перед селекционерами стоят важные задачи[33]. Во-первых, они хотят научиться предсказывать урожайность новых сортов и их реакции на внешние стрессы. Умея прогнозировать, человек сможет разрабатывать растения для использования в будущем, скажем, через 50 лет, когда климат станет более жарким, изменятся ареалы насекомых и животных, появятся новые фитопатогены[34]. Перспективы выращивания известных растений пересматривают уже сейчас. Так, многим специалистам злаком будущего представляется сорго. Оно способно добывать воду из глубоких слоев почвы и экономить влагу, что делает его чрезвычайно засухоустойчивым. К тому же сорго не привередливо к почвам и отлично растет на жаре.
Во-вторых, сегодня все чаще говорят о новом витке одомашнивания диких видов. Идея в том, чтобы выбрать наиболее приспособленные и живучие и заново вывести из них культуры, дающие вкусные плоды и большой урожай[35]. В процессе селекции мы раз за разом выбирали одни варианты растений, упуская из виду другие, которые теперь могли бы пригодиться. Вернувшись к геномам диких предков тех растений, с которыми мы работаем сейчас, можно найти более удачные генетические вариации с точки зрения устойчивости сортов к экстремальным температурам или засухам[36].
В любом случае геномные технологии продолжат и дальше менять растениеводство. Даже если люди вдруг откажутся от генетической инженерии и запретят всю модифицированную сою, у ученых останется еще очень много забот. Хотя такой вариант развития событий маловероятен. Создание новых сортов с измененной ДНК – слишком заманчивая идея, от которой трудно отказаться. Тем более что генная инженерия порой оказывается единственным выходом для решения насущных проблем рынка. Однажды она уже спасла гавайскую папайю, а в скором времени ее помощь может понадобиться и другим фруктам. На Филиппинах в ближайшие годы, вероятно, начнут расти генетически измененные бананы, устойчивые к опасной болезни Tropical race 4, вызываемой грибком Fusarium oxysporum f. sp cubense. В 2023 г. разработавшая их компания Tropic Biosciences из Великобритании уже прошла одобрение в этой стране с другим продуктом – бананом, который не темнеет во время хранения[37]. Апельсины в будущем тоже могут получить улучшенную ДНК. Индустрии пригодятся сорта, невосприимчивые к гринингу – бактериальной инфекции, из-за которой плоды цитрусовых не вызревают, оставаясь маленькими, зелеными и слишком горькими, чтобы продавать их в розницу. Зеленые апельсины опадают с больных деревьев, которые теряют листья, плохо растут, а через несколько лет после заражения и вовсе погибают. В США фермеры называют грининг убийцей апельсинов. Во Флориде объемы их производства упали на 75% с 2005 г., когда инфекция была зарегистрирована там впервые. Страдают от грининга сады и в других регионах: в Бразилии, Юго-Восточной Африке, Индии и Китае, где о нем было известно с начала прошлого века. Заболевание распространяется с насекомыми-листоблошками, а эффективных способов лечения посадок по-прежнему нет (хотя есть методы сдерживания, например, с помощью инъекций антибиотиков).
Как еще биотехнология меняет растениеводство
Кроме создания новых суперсортов овощей или злаков биотехнология в растениеводстве делает много чего полезного. Ученые постоянно придумывают, как изменить индустрию, чтобы она не только могла накормить растущее население Земли, но и меньше влияла на биосферу, то есть становилась более устойчивой. Они действуют заблаговременно, разрабатывая стратегию развития, которая могла бы позволить производителям с уверенностью смотреть в завтрашний день. Одни проекты нацелены на упразднение опасных для природы химикатов, другие – на сохранение биоразнообразия, помощь насекомым или почвенным микроорганизмам.
Так чем же заняты в своих лабораториях биологи, посвятившие жизнь выращиванию растений?
Создают биоудобрения и биологические средства защиты урожаяЕжегодно в мире используется более 3,5 млн т пестицидов[38]. Инсектициды, гербициды и фунгициды – любимое оружие садоводов против насекомых, сорняков, вредных грибков и бактерий. Они защищают сельскохозяйственные культуры от вредителей и болезней, повышают эффективность сельского хозяйства и тем самым заметно снижают стоимость продуктов.
Поскольку использовать агрохимикаты крайне выгодно, они применяются повсеместно. Однако у такого способа ведения сельского хозяйства есть и оборотная сторона: экономика впадает в настоящую зависимость от пестицидов. Аппетиты человечества все время растут, значит, и химикатов аграриям нужно все больше. Кроме того, фермеры вынуждены все время повышать концентрации веществ либо переходить на новые препараты из-за адаптации вредителей и фитопатогенов к старым ядам[39].
При этом ни для кого не секрет, что пестициды несут не только пользу, но и вред. Негативные последствия их использования стали очевидны после широкого распространения препаратов второго поколения, таких как ДДТ, органофосфаты и пиретроиды. Доказано, что современные пестициды вредят насекомым-опылителям (к чему мы еще вернемся) и животным, разрушительно воздействуют на экосистемы, а у людей, если нарушены правила работы с ними, становятся причиной отравлений и всевозможных заболеваний, включая хронические[40].
Большая проблема, связанная с пестицидами, кроется в их способности мигрировать в природе и накапливаться там, где мы меньше всего ожидаем. Те из них, что устойчивы к разложению, включаются в самые разные миграционные цепи и перемещаются в пространстве с воздушными и водными потоками или с помощью животных. Липофильные вещества легко проникают в живые организмы и накапливаются в жировых тканях. Именно поэтому пестициды находят не только в овощах и фруктах, но также в мясе или в молоке.
Двигаясь по пищевым цепям, химикаты от маленьких животных переходят к более крупным хищникам. Например, от рыбы к тюленям, а затем – к белым медведям. У птиц пестициды истончают яичную скорлупу и повреждают эмбрионы. Американский биолог и борец за безопасность окружающей среды Рейчел Карсон в 1962 г. выпустила книгу-бестселлер «Безмолвная весна», где уделялось большое внимание уменьшению популяций пернатых из-за бесконтрольного применения инсектицида ДДТ. Ее труд заложил основу общественного движения, которое в конце концов добилось запрета на продажу этого химиката в США.
Понимая необходимость ухода от пестицидов, ученые пытаются разработать новую систему землепользования, которая смогла бы обеспечить людям достаточные урожаи без обращения к химическим средствам защиты растений. Очевидно, что в рамках такой системы на смену агрохимикатам должна прийти экологичная альтернатива, с ролью которой вполне могут справиться биологические препараты на основе микроорганизмов. Пока они занимают лишь небольшую долю на рынке, но их продажи год от года растут, так как тренд на натуральность пищевых продуктов не теряет силы. И если раньше их эффективность была мало исследована, сейчас она уже не вызывает сомнений.
То, что некоторые микробы синтезируют вещества с фунгицидным, антибактериальным или инсектицидным действием, известно уже давно. А одним из первых, кто придумал, как применить это знание, был российский биолог Илья Ильич Мечников. Работая в Одесском университете в 1879 г., он занимался разработкой бактериальных препаратов против вредителей зерновых: грызунов и хлебного жука. Тогда это было смелым новаторством, сейчас же на рынке можно найти биозащиту на любой вкус:
● противомикробные и противогрибковые смеси (в их основе часто можно встретить грибы рода Trichoderma и бактерии родов Pseudomonas и Bacillus, а еще бактериофаги[41]);
● инсектициды (с насекомыми прекрасно борются почвенные бактерии Bacillus thuringiensis, аскомицеты Lecanicillium lecanii, грибы родов Beauveria и Metarhizium, а также разнообразные вирусы – их получают, перерабатывая зараженных насекомых);
● гербициды (грибы Myrothecium verrucaria, Phoma macrostoma, Streptomyces acidiscabies помогают уничтожать сорняки).
Их эффективность не так высока, как у химических ядов. Зато они не вредят окружающей среде.
Главный ингредиент всех сельскохозяйственных биопрепаратов этого сегмента – живые культуры микроорганизмов. Чтобы приготовить биологическую замену пестициду, ученые выбирают подходящие штаммы, выращивают их на питательной среде, готовят из живых микробных клеток концентрат, пасту или порошок – и можно проводить обработку. Большой плюс биофунгицидов и биоинсектицидов в их высокой селективности. Они действуют на узкий спектр болезней или насекомых, и внесение их в биосферу не нарушает природного баланса микроорганизмов, а устойчивость к биопрепаратам у вредителей формируется крайне редко.
Новое направление в области создания биопестицидов – пептидные технологии. В этом случае в лаборатории сперва культивируют микробные штаммы, а потом выделяют из них белки, подавляющие рост фитопатогенов.
Помимо пестицидов у поборников чистого сельского хозяйства есть еще один заклятый враг – минеральные удобрения. Да-да, они, как и пестициды, не приносят окружающей среде никакой пользы. Помогая растениям в моменте, при длительном использовании химически синтезированные препараты разрушают почвенный микробиом и обедняют землю. Из-за активной минерализации в почве перестает накапливаться гумус, который удерживает в ней полезные микроэлементы (кальций, магний, цинк, медь), а кислотность земли все время увеличивается. Из-за минеральных удобрений страдают и подземные животные: черви, личинки насекомых и т. д. Для здоровья человека азотные удобрения опасны только при бесконтрольном расходовании. Если перекормить ими культуру, она накопит в себе азот в виде нитратов, которые при чрезмерном употреблении могут вызвать гипоксию тканей[42].
Минеральные удобрения плохи еще и тем, что дождь быстро вымывает их из обработанного грунта. Азот и фосфор из удобрений попадают в грунтовые воды, а затем – в водоемы. Вода там превращается в питательный бульон, и в ней начинают усиленно расти водоросли, которые выделяют метан и поглощают кислород. Рыбе в таких условиях становится нечем дышать, она чаще болеет, меньше живет, и численность многих видов снижается[43]. Иногда и сами водоросли травят подводную фауну. «Красный прилив» во Флориде (так называют цветение воды, когда разрастание фитопланктона видно по изменению цвета моря) в 2018 г. длился 11 месяцев и привел к смерти сотен морских черепах и ламантинов. Причиной стали микроскопические Karenia brevis, синтезирующие опасный для животных бреветоксин. Массовая гибель рыб из-за разрастания микроводорослей не раз регистрировалась в Китае или на Аляске, а в 2020 г. настоящая экологическая катастрофа произошла на Камчатке. Загрязненными там оказались более 350 км побережья, а всплеск роста других динофитовых водорослей, Karenia selliformis, привел к гибели тысяч морских обитателей. Люди находили на берегу множество трупов нерп, крабов, осьминогов и моллюсков. Пострадали также несколько десятков серферов и дайверов: они получили ожоги глаз и жаловались на плохое самочувствие, рвоту, сыпь, судороги и кашель[44].
Заменить минеральные удобрения можно либо органическими подкормками, например навозом, либо биоудобрениями, которые, как и биопестициды, состоят из микробов. У навоза при этом есть свои недостатки: он закисляет грунт и часто содержит множество возбудителей заболеваний, включая туберкулезную палочку и сальмонеллу, а при обильных прикорневых подкормках может «сжечь» посадки, так как при перепревании навоз сильно нагревается. Микробные удобрения в этом плане более безопасны, так как их состав заранее известен: в них содержатся полезные микробы из почвы, которые помогают растениям питаться и повышают их защитные функции.
Именно тесной связью растений с почвенными микроорганизмами объясняется эффективность бактериальных или грибковых удобрений. Эта дружба формировалась на протяжении миллионов лет эволюции и в жизни растений играет очень большую роль. В зависимости от того, с какими микробами растения вступают в симбиоз, могут меняться и эффективность извлечения ими питательных веществ из почвы, и уровень синтеза растительными клетками различных соединений. Одним словом, бактерии и грибы вступают во взаимоотношения с растениями так же, как в контакт с нами вступают микроорганизмы, обитающие на поверхности и внутри нашего собственного тела. В какой-то степени почва – «кишечник» нашей планеты, и его здоровье важно поддерживать. Для этой цели и нужны биоудобрения[45].
Однако для производства действенных микробных препаратов сперва следует определить, какие именно микробы послужат возделываемым растениям хорошими соседями, а сделать это не так просто. Сегодня ученым удается культивировать в лаборатории лишь около 5% всех присутствующих в земле бактерий, остальные просто не растут на искусственной питательной среде. Это значит, что многие почвенные микробы нам до сих пор неизвестны, а их функции не раскрыты (исправить упущение помогают современные методы расшифровки ДНК – искать микроорганизмы в пробах почвы можно, глядя на геномы, которые там обнаружились, но, чтобы сделать удобрение, микроб все равно нужно культивировать)[46]. С другой стороны, некоторые виды микроорганизмов из уже изученных проявляют себя как вполне эффективные средства для поддержания растительного иммунитета. Симбиотические микоризные грибы и бактерии неплохо помогают растениям справляться с самыми разными стрессовыми условиями, начиная с засухи и заканчивая агрессивным составом почв и вредными насекомыми.
Попадая в землю, они начинают эффективно разрушать органику – остатки корней, листьев и веток – и превращать ее в гумус, из которого минеральные вещества легко усваиваются растениями. Формирующийся с их помощью микробиом со временем повышает пористость грунта и улучшает общее здоровье всех растений, находящихся поблизости (рис. 9).
Современный процесс производства биоудобрений мало чем отличается от изготовления биопестицидов. Выбранные штаммы почвенных организмов выращивают, а затем концентрируют, получая жидкости, гели или гранулы с живыми бактериями или грибами в составе. Иногда биологи идут дальше и меняют геном почвенных бактерий, чтобы заставить их выделять больше полезных веществ[47]. Но с природными штаммами работают все же гораздо чаще.
Рис. 9. Биоудобрения на базе микоризных грибов и других микроорганизмов способствуют лучшему снабжению и усвоению растениями питательных веществ, защищают растения от патогенов, повышают их устойчивость к стрессу
В зависимости от состава биоудобрения могут выполнять различные функции:
● захватывать из атмосферы азот и снабжать им растения (к азотфиксаторам относятся штаммы клубеньковых, обитающих прямо в клетках корней, и свободных бактерий родов Rhizobium, Azospirillum и Azotobacter[48]);
● высвобождать фосфор из грунта (популярные фосфат-мобилизаторы – бактерии Bacillus megaterium[49]);
● переводить калий из алюмосиликатов в доступную для растений форму (это работа для «силикатных» бактерий родов Bacillus и Paenibacillus[50]);
● доставлять растениям ионы железа (некоторые бактерии и грибки, например Phyllobacterium endophyticum PEPV15 из клубеньков, выделяют специальные вещества – сидерофоры, снабжающие растения трехвалентным железом[51]);
● образовывать с растениями симбиотические связи, снабжая полезными метаболитами (микоризные грибы[52] или зигомицеты, а также бактерии, синтезирующие фитогормоны, – Azospirillum, Methylobacterium symbioticum, Bacillus и многие другие[53]);
● защищать растения при стрессе, стимулируя их рост (бактерии Pseudomonas помогают растениям выживать на засоленных почвах[54]);
● ускорять разложение соломы, пожнивных и органических остатков (микроводоросли Chlorella и различные комплексные биодеструкторы[55]).
И это только те свойства микробов, которые уже активно используются в растениеводстве. Трудно сказать, какие еще инструменты окажутся у нас в руках, когда ученые откроют хотя бы половину всех тайн, что скрывают от нас почвенные микробиомы.
Способствуют развитию рынка органических продуктовПопуляризация концепции органического земледелия, которое предполагает производство продуктов питания с «чистой» этикеткой, рождает не только биологические удобрения и безопасные микробные пестициды. Она также помогает продвигать щадящие методы работы с растениями и одновременно с этим приводит к усилению контроля за использованием вредной агрохимии.
Один из самых известных проектов, поддерживающих направление органики, – система IPM, Integrated Pest Management. Ее суть заключается в комплексном подходе, цель которого – снижение расхода ядохимикатов на полях.
На фермах, где применяют подходы IPM:
● соблюдают правила севооборота;
● высаживают рядом растения-компаньоны, которые в тандеме лучше противостоят вредителям (например, укроп часто сажают вместе с крестоцветными – он помогает бороться с капустным червем; фасоль отлично совместима с кукурузой – кукурузные стебли дают ей опору, чтобы виться, а фасоль обогащает почву азотом, стимулируя рост кукурузы);
● мульчируют почву, чтобы сохранить ее влагу и уменьшить количество сорняков;
● отдают предпочтение районированным сортам, приспособленным к местному климату.
Кроме того, в борьбе за высокий урожай IPM предлагает собирать вредителей с растений вручную (прямо как мы собирали колорадского жука с картофеля в бабушкином огороде), применять укрывной материал, вовремя удалять больные и отмершие части растений, поддерживать численность естественных хищников (божьи коровки, как известно, поедают тлю), а в качестве удобрений использовать органику (компост, навоз, растительный настой) и разнообразные микробные подкормки[56]. В IPM востребованы и принципы пермакультуры, направленные на стабилизацию естественных экосистем и водного баланса в природе, благодаря чему агросистема поддерживает себя сама, не истощаясь со временем.
Ничего нового, всем этим методам учат в аграрных вузах десятилетиями. Но старый не значит бесполезный. В 2015 г. учеными Великобритании был опубликован метаанализ, данные для которого собирались на 85 полевых участках в 24 странах Азии и Африки. На всех изучаемых полях, где фермеры использовали методы IPM, объемы применяемых пестицидов снизились, а урожай вырос. В некоторых хозяйствах от пестицидов отказались совсем[57].
Для продвижения IPM Продовольственная и сельскохозяйственная организация ООН в 1989 г. основала «фермерские полевые школы» – (Farmer Field Schools)[58]. Они работали в Индонезии, и в них фермеры учились новым для себя эффективным способам выращивания риса. Позднее такое обучение практиковалось и в других странах: Бангладеш, Камбодже, Индии, Индонезии, Малайзии, Таиланде. В течение 15 лет с 1989 по 2004 г. на работу фермерских школ в Азии было выделено порядка $100 млн[59]. К сегодняшнему дню обучение в них прошли более 2 млн человек. Благодаря этой инициативе удалось убедить многих фермеров отказаться от привычных производственных процессов ради более экологичных и безопасных. В Европе программы IPM с середины 1950-х гг. реализуются с участием Международной организации по биологическому контролю. Европейская комиссия активно стимулирует фермерские хозяйства на территории ЕС к тому, чтобы снижать потребление пестицидов, это отражается в принятии соответствующих директив, таких как Директива 2009/128/EC. Вероятно, со временем правительства стран ЕС создадут условия для внедрения принципов IPM во всех европейских регионах.
В России приверженцев органического растениеводства объединяет Союз органического земледелия. На сайте этого проекта можно найти самую разную информацию о том, как экологично вести хозяйство, будь то приусадебный участок или крупное производство. Кроме того, в нашей стране работает Центр пермакультуры Зеппа Хольцера, где можно пройти обучение по методу одного из самых известных пропагандистов этой концепции.
Во всем мире органика как рынок со временем обретает все более устойчивую основу. И, что немаловажно, продукты этого сектора из года в год все лучше контролируются. Благодаря этому покупка органических овощей перестала быть актом доверия. Чтобы обрести право именовать свою продукцию «органикой», фермеры во многих странах, включая Россию, обязаны проходить сертификацию: сдавать образцы почв и вегетирующих растений в специальные лаборатории и подтверждать отсутствие в них запрещенных соединений. А в качестве удобрений и средств защиты натуральные хозяйства могут использовать только те препараты, которые сами имеют органический статус.
Самые продвинутые в этой области – США и ЕС. В Соединенных Штатах еще в 1990 г. был принят Акт об органическом производстве пищевых продуктов, а в Европе действуют Общеевропейское соглашение по органическому производству сельскохозяйственной продукции и директивы по органическому производству – № 834 и № 889[60]. Сертифицированные там органик-производители могут помещать на своих товарах специальные значки в зависимости от того, проверки по какой системе они проходили (рис. 10).
Рис. 10. Самые распространенные программы органик-сертификации в мире: а – «Евролист», знак Европейской системы сертификации органической продукции, обязателен для всех биопродуктов, продаваемых на территории ЕС; б – национальный знак Германии «Печать Био»; в – знак USDA Organic, национальный стандарт, разработанный Министерством сельского хозяйства США; г – маркировка системы органической сертификации Японии JAS
Российский рынок органики до недавнего времени развивался стихийно. Закон «Об органической продукции» вступил в силу в нашей стране только в 2020 г. До этого сертификация требовалась лишь тем, кто хотел торговать за рубежом. Сейчас и для внутреннего рынка нужно проходить отдельную сертификацию, подобную международной. Она ведется согласно ГОСТу и действует только в России, но требования к фермерам, которые она устанавливает, максимально приближены к европейским. По сути, российский ГОСТ – перевод европейского регламента.
