По мере роста населения планеты и угрозы того, что изменения климата нанесут непоправимый ущерб традиционным регионам-житницам, исследователи ищут способы выжать из земли как можно больше пищи.Некоторые из них демонстрируют нетрадиционный подход к решению данной задачи: вместо того, чтобы создавать более устойчивые сельскохозяйственные культуры путем селекции или генетической модификации, они занимаются огромной массой симбиотических микроорганизмов, которые живут в растениях.
Следующей весной компания «Адаптивные симбиотические технологии» в Сиэтле, штат Вашингтон, представит на рынке первый коммерческий продукт, который использует подобные микроорганизмы – известные как эндофиты – для улучшения культур.Компания планирует реализовывать смесь грибов для покрытия семян риса и маиса (кукурузы), которая по их словам, будет производить зерновые культуры с высокой урожайностью и пониженным потреблением воды даже в суровых условиях.
Это настоящий сдвиг парадигмы в экологии растений, – заявляет основатель компании и биолог-ботаник Расти Родригес. Ведь до сих пор мы были сосредоточены на растениях как на отдельных объектах, что дублирует подход к животным.Точно так же как биологи в настоящее время начинают понимать силу и влияние триллионов микробов, живущих в и на организме человека, экологи всё больше и больше познают механизмы взаимодействия растительных микробиомов.
И результат превосходит все ожидания.Вместо того чтобы искать и вводить в ту или иную культуру тот единственный ген, который позволит получить желаемый признак, например, солеустойчивость, исследователи могут использовать целую уйму взаимодействующих генов, которые уже предварительно интегрированы в живом организме, например, в таком как симбиотические грибы.Обычные способы разведения помогли создать сорта с повышенной устойчивостью к засухе, но прогресс в области внедрения новых генов с помощью генных манипуляций был достаточно медленным.
Несмотря на десятилетия исследований, только одна генетически модифицированная засухоустойчивая культура был одобрена в США: кукуруза Monsanto сорта DroughtGard, которая получила ген стрессовой реакции от бактерий.Хотя симбиотические растительно-микробные отношения – такие, как у азотфиксирующих бактерий, живущих в корнях бобовых – были известны в течение многих десятилетий, прикладные исследования начали вестись в этой области сравнительно недавно.
Только в 1970-х годах исследователи понимают, что грибок, живущий в симбиозе с овсяницей, отвечает за то, что заболеват пасущийся на зараженных пастбищах скот.Ученые в Новой Зеландии позже обнаружили, что некоторые заселённые эндофитами травы, хотя и были ядовиты для скота, обладали при этом устойчивостью к воздействию долгоносиков. Это породило нишу промышленности по разработке и выпуску различных сортов несущего эндофиты торфа, который помогал отпугивать вредителей, будучи не токсичным для животных.Сегодня некоторые исследователи придерживаются схожей философии применительно к продовольственным культурам.
Данный подход породил тенденцию к стерилизации и упрощению культур.Сельское хозяйство на протяжении последних столетий планомерно при помощи пестицидов и удобрений уничтожало живущих на растениях микробов. А сейчас мы пытаемся изменить эту ситуацию.Многие компании не придерживаются подобного мнения – они ратуют за химический контроль, полагая, что микробы лишь препятствие на этом пути, – отмечает исследователь эндофитов Джеймс Уайт из Университета Ратджерса в Нью-Брансуике, Нью-Джерси.
Сложно назвать то обстоятельство, что эти микробы значительно влияют на растения, теорией. Но тем не менее так оно и есть.Считается, что в мире существуют миллионы эндофитных микробов; лишь часть из них изучена, и любое растение может содержать сотни подобных микроогранизмов. Работа Родригеса началась со счастливой случайности. В начале 2000-х, во время изучения дюжины различных видов растений, которые могут выжить при температуре 50°С в горячих почвах вблизи геотермальных отверстий в Йеллоустонском национальном парке в Вайоминге, он обнаружил, что все они поражены симбиотическим грибком.
Хотя по отдельности ни растения, ни грибы не могли вынести температуру почвы 40°С, вместе им это удавалось. Родригес и его коллеги позже обнаружили, что грибы можно легко переносить: они могли расти на всём что угодно от арбузов до кукурузы и придавали тепло- и засухоустойчивость тем культурам, на которые пересаживались. Эти эндофиты каким-то образом защищают растения от окисления, поэтому растения не активируют все свои ресурсы, призванные защитить их от стресса.Полученные тогда выводы заставили учёного искать другие оптимизирующие эндофиты, для решения проблем, которые, вполне вероятно, будут вызваны у конкретных продовольственных культур в результате изменения климата.
Результатом этих поисков стала смесь приблизительно полдюжины грибов, которую команда исследователей назвала BioEnsure.Полевые испытания, проведенные по заказу компании показывают, что, по сравнению с необработанными семенами, данная разработка во время засухи 2012 года увеличила урожайность кукурузы в Мичигане на 85%.Кроме того, результатом использования данного комплекса грибков стало увеличение скорости прорастания семян в два-пять раз во время похолоданий до 5°C, и она же позволила использовать при поливе на треть меньше воды.
В случае с рисом ученые отметили повышение урожайности на 3-6% в 2012 и 2013 годах, несмотря на засуху и раннюю посадку, когда температура была весьма прохладной. Также при поливе культуры использовалось на 25-50% меньше воды. Смесь BioEnsure была одобрена для использования Администрацией США по пищевым продуктам и лекарственным веществам и Департаментом сельского хозяйства, кроме того независимые тесты показали что смесь не является токсичной.
Родригес планирует в конечном итоге производить целевые эндофитовые смеси для большего числа культур, в том числе соевых бобов, пшеницы, ячменя и сахарной свеклы.Но на вопрос о том, будет ли BioEnsure работать в коммерческих условиях, ответить трудно: хотя результаты полевых испытаний компании «Адаптивные симбиотические технологии» находятся в свободном доступе, они до сих пор не прошли экспертной оценки.
Некоторые специалисты высказывают сомнения, связанные с тем, что как правило, существует некая метаболическая стоимость размещения эндофитов на растении, а значит сельскохозяйственные культуры с эндофитами, скорее всего, будут меньше расти и будут отличаться меньшей продуктивностью. Родригес возражает, что во всех полевых работах, которые он и его команда провели за 15 лет, им не довелось наблюдать ничего, что бы говорило о наличии метаболической стоимости.
Другие же наблюдатели настроены осторожно оптимистично. Могенс Николайсен, работающий с патогенами растений в Орхусском университете в Дании, считает, что эндофиты могут стать хорошим вариантом, позволяющим ввести устойчивость как к засухе, так и к болезням, в том числе к патогенным микроорганизмам, таким как пшеничная ржавчина, область, над которой Родригес, по его словам, также планирует работать.
Но Николайсен добавляет, что внесение эндофитов в семена и регулировка их роста в различных условиях окружающей среды будет непростым процессом, который будет очень трудно контролировать.
