За даними Продовольчої та сільськогосподарської організації ООН, у 2022 році майже троє з десяти людей у всьому світі відчували нестачу їжі, причому більше десятої частини відчували серйозну продовольчу нестачу.
Підвищення врожайності рослин є одним із способів скоротити дефіцит, і тут було досягнуто великих успіхів. Але хоча врожайність кукурудзи, наприклад, за останні сто років зросла втричі, споживання води також зросло.
«Ми повинні мати можливість підвищити продуктивність, не збільшуючи подальшого попиту, особливо щодо води», — каже професор Стів Лонг з Університету Іллінойсу.
Одним з аспектів росту рослин, який не зазнав суттєвого покращення, є ефективність перетворення — наскільки ефективно рослина перетворює сонячне випромінювання на біомасу за допомогою фотосинтезу.
Професор Лонг каже, що фотосинтез у сучасних сортах сільськогосподарських культур, таких як пшениця та соя, майже не покращився за десятиліття.
Він є головним дослідником і керівником проекту під назвою «Реалізація підвищеної ефективності фотосинтезу» («Ріп»), мета якого — генетично налаштувати рослини для підвищення врожайності шляхом покращення їхньої здатності до фотосинтезу.
Ефективність фотосинтезу в сільськогосподарських рослинах значно нижча за теоретичний максимум, але на неї важко вплинути через складну природу процесу – існує понад 100 етапів, закодованих ще більшою кількістю генів, що дає мільйони потенційних перестановок.
Професор Лонг і його команда використали потужні комп’ютери для створення цифрового двійника процесу фотосинтезу. Він може налаштувати цей процес мільйонами способів.
З цих мільйонів варіантів програмне забезпечення може визначити ті, які принесуть найбільші покращення.
«Потім ми впровадили їх у сільськогосподарські культури, і якщо це призведе до покращення в теплиці, то ми переносимо це на нашу експериментальну ферму та тестуємо в реальному середовищі», — каже професор Лонг.
Це вже дало обнадійливі результати. Зміни в механізмі фотосинтезу в рослинах сої призвели до підвищення врожайності більш ніж на 20% у контрольованому середовищі, зараз тривають польові випробування.
Одним з напрямків роботи є зміна способу, у який рослини реагують на зміни рівня освітлення.
Команда працювала з трьома генами, які кодують білки ксантофілового циклу. Це відбувається, коли листя переміщується від світла до тіні, не даючи рослині поглинати більше світла, ніж воно може використовувати.
Однак цей процес може тривати кілька хвилин – і зміни гена Ripe означають, що рослини можуть швидше адаптуватися до змін рівня освітлення.
Інші команди по всьому світу також намагаються активізувати фотосинтез.
Wild Bioscience, підрозділ Оксфордського університету, працює над покращенням частки кожного листка, який може фотосинтезувати, посилюючи експресію гена, знайденого в диких рослинах.
Цей процес передбачає складну обчислювальну біологію: «Ми намагаємося змінити природні зміни фотосинтезу, які існують у дикій природі, щоб ми могли скопіювати їх у сільськогосподарських культурах», — каже співзасновник Росс Хендрон.
Часто цей ген уже присутній у рослині та може бути активований у різних областях.
«Ми можемо поглянути на пшеницю і виявити, що цей ген уже є в геномі пшениці, просто він увімкнений не в тому місці», — каже пан Хендрон. «Отже, коли ми хочемо покращити цей конкретний процес у цій частині рослини, що нам потрібно зробити, це натиснути перемикач і ввімкнути цей ген у цьому місці».
Іншим прикладом є ген, виявлений у кукурудзі, який допомагає рослині здійснювати так званий фотосинтез C4, особливо ефективну форму фотосинтезу, яка також зустрічається в просі; Wild Bioscience активувала його в пшениці.
Компанія працює з пшеницею, сою та кукурудзою, і досягла збільшення біомаси насіння більш ніж на 20%, з оцінкою польових випробувань. Якщо все піде добре, каже пан Хендрон, сільськогосподарські рослини можуть бути доступні для продажу приблизно до 2030 або 2031 року.
І Ripe, і Wild BioSciences займаються редагуванням генів. Він передбачає вмикання та вимикання генів шляхом видалення ДНК і відрізняється від генетичної модифікації (ГМ), яка передбачає імпорт генів інших видів.
Раніше цього року уряд Великої Британії послабив регулювання генно-відредагованих культур, щоб забезпечити комерційне вирощування в Англії.
Регулювання генно-відредагованих і ГМ-культур відрізняється від країни до країни, причому в Європейському Союзі діють найсуворіші правила.
Активісти протягом тривалого часу боролися проти впровадження ГМ-культур, а також опираються генно-відредагованим культурам.
«Ця недоведена наука пропонує лише потенційне короткочасне полегшення симптомів нестабільної сільськогосподарської галузі. Тим часом вона відволікає час, інвестиції та увагу від реальних і вже перевірених рішень», – заявили Friends of the Earth Europe в доповідь під назвою «Редагування правди».
Дослідники з Імперського коледжу Лондона ще не на стадії редагування генів.
Вони знаходяться на ранніх стадіях дослідження того, чи можна спроектувати рослини для фотосинтезу, використовуючи низькоенергетичне далеко-червоне світло замість видимого світла.
«За певних обставин існує потенціал, але ми все ще перебуваємо на початковій стадії розробки того, як це працює та які плюси та мінуси», — каже професор Білл Резерфорд з Департаменту наук про життя.
Деякі вчені обережно ставляться до того, чого насправді можна досягти з точки зору врожаю в полі.
Метью Пол, головний науковий співробітник сільськогосподарського дослідницького інституту Rothamsted Research, припускає, що збільшення фотосинтетичної здатності листя може просто призвести до зменшення листя, а високі темпи фотосинтезу можуть означати більшу втрату води, тобто рослини потребуватимуть більше зрошення.
«Щоб будь-який підхід до ГМ або редагування генів мав широкий вплив, його потрібно буде відтворити в сортах, вирощених у різних регіонах. Тонкощі контролю експресії та взаємодії з генетичним фоном кожного сорту зроблять це складним», — каже він.
Оскільки робота все ще знаходиться на ранніх стадіях, ще належить побачити, наскільки комерційні врожаї можна покращити за рахунок змін у фотосинтезі.
Однак пан Хендрон каже, що різні методи можна використовувати в поєднанні для ще більшого ефекту.
«Ми знаємо, що це комплексні вдосконалення, які можуть сприяти подальшому зростанню», — каже він.