Як вчені готують сільське господарство до зміни кліматичних умов

Про глобальне потепління та його наслідки не говорять хіба ліниві. Зі зміною кліматичних умов традиційні сільськогосподарські культури не ростимуть у звичних ареалах. Тож уже сьогодні вчені зайняті пошуками організмів, які мешкають в екстремальних умовах нашої планети, для розробки й створення витриваліших культур. Більше – в адаптованому перекладі статті з ресурсу Futurism.

Дах світу

Кожного року невелика група дослідників здійснює небезпечну подорож до віддаленого куточка Тибетського плато, також відомого під назвою «Дах світу», найбільшого і найвищого плато планети, що розкинулось на висоті приблизно на 5 км над рівнем моря. Кажуть, повітря там найчистіше у світі, а безплідним ландшафтом, сформованим потужними вітрами, снігом і мінливими температурами, розкидані доісторичні озера. Потрапити туди «просто»: дістатися до Катманду в Непалі чи до Ченду в Китаї, здійснити короткий переліт через найвищі гори в світі, а потім з тиждень крокувати, долаючи висотну хворобу та ухиляючись під постійних каменепадів, а в дощову пору – з подвоєною обережністю, адже і люди, й автомобілі нерідко зриваються в прірву через слизький ґрунт. Рік у рік вчені пересилюють себе заради збору зразків унікальних рослин і мікробів, які, попри все, живуть і процвітають в умовах середньорічної температури -4°C, низького рівня кисню, замороженого ґрунту й сильного ультрафіолетового випромінювання. Тибетське плато – одне з найбільш екстремальних середовищ на Землі. А кліматичні зміни лиш посилюють ці непривітні умови. Дослідники підозрюють, що подібні середовища можуть свідчити про те, яким стане світ, якщо клімат на планеті зміниться відповідно до найрадикальніших прогнозів експертів.

Кліматичні зміни вже підштовхнули науковців до створення сільськогосподарських культур, здатних витримувати ширший спектр умов навколишнього середовища, аби забезпечити людську популяцію, що нестримно зростає, харчами. Деякі вчені вважають, що екстремофіли – організми, які процвітають в екстремальних умовах – відіграють ключову роль. Утім, спочатку фахівцям необхідно збагнути, як рослини розвивалися протягом тисячоліть, щоб вижити у таких жорстких умовах. Хоча нині були виконані лише незначні дослідження геному рослин Тибетського плато, регіону, що є найбільш біологічно різноманітним з усіх екстремальних середовищ у світі.

«– Розуміння того, як організми адаптуються до екстремальних середовищ, може стати вагомим внеском в еволюційну екологію», – стверджує Тікао Чжан (Ticao Zhang), доцент кафедри ботаніки Китайської академії наук у Пекіні.

Читайте про >>> Марс на Землі: чилійська пустеля як «робоча модель» життя у космосі

Цінність екстремальних умов

Життя вирує там, де ми найменше очікуємо, – під полярною кригою, всередині гарячих джерел, на виснажених ґрунтах гімалайського плато. І процеси, які дозволяють організмам виживати у таких середовищах, розповсюджуються не лише на мікроби. Вчені неодноразово досліджували, як розвивались люди й хребетні, аби адаптуватись до середовищ з низьким вмістом кисню, потужним сонячним світлом або холодними температурами, і дійшли висновку, що відмінні форми життя, які виникають у результаті таких пристосувань, можуть, у деяких випадках, бути генетично унікальними.

«Екстремальні середовища, на нашу думку, є домівкою для ще не вивченої нами біологічної різноманітності», – зазначає Нікос Кірпідес (Nikos Kyrpides), очільник програми біології геному в Об’єднаному інституті геному Міністерства енергетики США. Ця програма запрошує науковців з усього світу надавати свої генетичні зразки, приміром, ґрунту, рослин і мікробів, для розшифровки генетичної послідовності та аналізу. Вчений пояснює, що поверхні океану та ґрунти планети широко вивчались, а геноми багатьох знайдених організмів були розшифровані, «але є віддалені середовища, наприклад, морська глибочінь, які ледве можна вважати вивченими. І ми бачимо, що там на нас чекає безліч відкриттів». Знахідки учених в екстремальних середовищах можуть бути корисними для людської харчової промисловості та безпеки.

«– Багато тварин постійно живуть в умовах температур нижче 0°C. Вони потенційно можуть мати деякі корисні для суспільства функції, – пояснює Мелоді Кларк (Melody Clark), молекулярний біолог проекту “Британське дослідження Антарктиди” при Раді природоохоронних досліджень Великобританії. – Дослідники можуть вивчати різні види, які живуть у подібних середовищах для пошуку ферментів, що допомагають їм добре адаптуватись до низьких температур. Це – потенційно корисні дані для промислових товарів, адже нам не потрібно буде використовувати додаткову теплову енергію».

Вчені можуть використовувати ферменти, екстраговані з екстремофілів, які живуть за температури нижче 0°C, для одержання мийних засобів, ефективних при кімнатній температурі, або для обробки сиру й вина у промислових масштабах. Деякі мікроорганізми, які пристосувались до виживання в умовах сильно забрудненого середовища, навіть знезаражують забруднену воду, процес, який вчені називають «біоремедіацією». Оскільки очікується розширення гарячих і посушливих регіонів, людству необхідно зрозуміти процеси, що відбуваються в організмах, які вже живуть у подібних умовах, і додати їх гени до традиційних культур. Наприклад, агава й алое виживають в умовах високих температур та посухи, втрачаючи надзвичайно малу кількість води під час дихання. Крихітні пори цих рослин, які називаються «стоматами», запрограмовані так, щоб лишатися закритими протягом дня і відкритими вночі, коли температура падає, таким чином отримуючи вуглекислий газ без значної втрати води в процесі.

Іншим прикладом екстремальної адаптації є «воскресіння» рослин, які в’януть під час сухих періодів і повертаються до життя за умови надходження води.

«– Розуміння цих процесів, – провадить Кларк, – допоможе нам з’ясувати, чи можемо ми «прищепити» подібні ознаки сільськогосподарським культурам».

За десять років досліджень на Тибетському плато китайсько-британська команда дослідників встановила декілька видів рослин і бактерій, які еволюціонували, щоб протистояти екстремальним вітрам, браку води та різким змінам температур. Група описала геноми досліджених видів у серії статей, опублікованих в ряді наукових журналів у 2009-2016 роках. «Наша робота показує, що різні види розробили різні механізми адаптації до екстремальних умов Тибетського плато, – говорить молекулярний біолог Джеймс Краббе (James Crabbe) з Оксфордського університету, який брав участь у кількох експедиціях на Тибетське плато. – Приміром, у деяких рослин розвинулись інші структури клітинної стінки та моделі відтворення».

Клітини спілкуються одна з одною через серію хімічних сигналів, які контролюють різні функції, приміром, відтворення та форму нових клітин. Завдяки своїй роботі на Тибетському плато дослідницька група встановила, що вивчені ними рослини та бактерії містять специфічні гени, які сигналізують клітинам створювати міцнішу зовнішню мембрану, що зменшує втрати води й краще пристосовує їх до протистояння жорсткому середовищу. Гени рослин також відповідають за підвищення рівня амінокислоти, яка захищає ключові ділянки клітини від шкідливих УФ-променів. Краббе зазначає, що гени, які допомагають організмам виживати в умовах великої кількості вуглекислого газу або невеликої кількості води, дозволять рослинам вижити в майбутніх кліматичних змінах на планеті. І хоча рослини на Тібетському плато пристосовували свої геноми протягом тисячоліть, вчені сподіваються, що за допомогою генної інженерії вони зможуть змінити геноми сучасних рослин значно швидше.

Дедалі більше досліджень свідчить про те, що протягом кількох наступних століть клімат Землі кардинально зміниться. Попри світові зусилля якщо не зупинити, то хоч сповільнити процес, на нас очікує інший світ, значно посушливіший. Науковці стверджують, що населення планети продовжуватиме зростати, а у поєднанні зі змінами клімату це може означати крах цілих харчових систем у певних регіонах, тобто смерть або переміщення мільйонів людей. Рекомендують забути і про стабільність цін на харчові продукти, адже урагани й посухи загрожують знищити врожаї.

«– В еволюційному сенсі у нас немає часу на адаптацію, – говорить Найджел Хелфорд (Nigel Halford), фахівець з питань врожаю неприбуткового дослідницького інституту Rothamsted Research у Великобританії. – Перед агрономами-селекціонерами стоїть виклик – створити нові сорти культур для середовища, яке ще не існує».

Від Тибету до кухонного столу

Вивчення геномів – лише початок довгого шляху потенційної інтеграції певних ознак у наші сільськогосподарські культури. По-перше, науковці повинні переконатись, що саме ці генетичні зміни лежать в основі конкретних адаптацій, а не якісь випадкові мутації чи інші, не враховані дослідниками фактори.
«Ми маємо докази того, що певні гени яскраво виражені у рослинах, які виживають в екстремальних кліматичних умовах, – розповідає Краббе. – Та постає питання: чи дійсно ці гени беруть участь в адаптації?»

Тож група вивчає фізіологію рослин і мікробів, аби дати відповідь на це питання. Для цього вчені вирощують рослини в контрольованих умовах, намагаючись зрозуміти, як унікальна генетика та білки рослин, зібраних на Тібетському плато, виражаються у витривалості, що забезпечує виживання виду. Приміром, деякі рослини квітнуть швидше, аби зберегти енергію.

Одні вчені зосереджують увагу на розумінні того, як рослини виживають, інші – вивчають способи продукування більшої кількості сільськогосподарських культур на меншому просторі, як от фахівці з Університету штату Іллінойс, які досліджують, як підвищення температури й обмеження води впливає на сою та кукурудзу. Вчені ставлять за мету виділити генетичні риси, які добре працюватимуть у майбутніх умовах навколишнього середовища, і таким чином вивести нові сорти. Стів Лонг (Steve Long), один з дослідників, говорить: «Можливість самостійно створити культури, які виживають у таких умовах, беззаперечно, – один з необхідних нам інструментів. Не думаю, що існує універсальне вирішення проблеми, а з огляду на терміновість ситуації, варто випробовувати всі методи».

БІЛЬШЕ ЦІКАВОГО:

Джерело: Futurism, переклад підготувала Ірина Гоял, спеціально для «Блог Imena.UA»