Флагманский проект Climate Grand Challenges направлен на сокращение выбросов, связанных с сельским хозяйством, при этом делая продовольственные культуры более полезными и питательными.
11 апреля Массачусетский технологический институт объявил о пяти многолетних флагманских проектах в рамках первой в истории инициативы Climate Grand Challenges, новой инициативы, направленной на решение сложных климатических проблем и максимально быстрое предоставление революционных решений миру. Эта статья является четвертой в серии из пяти частей, в которой освещаются наиболее многообещающие концепции, появившиеся в результате конкурса, и междисциплинарные исследовательские группы, стоящие за ними.
Влияние нашего изменяющегося климата на сельское хозяйство и продовольственную безопасность, а также то, как современное сельское хозяйство способствует изменению климата, находится в авангарде междисциплинарного проекта Массачусетского технологического института «Революция в сельском хозяйстве с помощью устойчивых культур с низким уровнем выбросов». Проект Проект является одним из пяти флагманских победителей конкурса «Большие вызовы климату» и объединяет исследователей из отделов биологии, биологической инженерии, химической инженерии, а также гражданской и экологической инженерии.
«Исследование нашей команды направлено на решение двух связанных задач: во-первых, необходимость сокращения выбросов парниковых газов, производимых сельскохозяйственными удобрениями; во-вторых, тот факт, что урожайность многих современных сельскохозяйственных культур снизится из-за воздействия изменения климата на метаболизм растений», — говорит руководитель проекта Кристофер Фойгт, профессор Daniel I.C. Ван, профессор кафедры биологической инженерии Массачусетского технологического института. «Мы реализуем шесть междисциплинарных проектов, каждый из которых является ключом к нашей общей цели — разработке методов удобрения растений с низким уровнем выбросов, которые были созданы с помощью биоинженерии, чтобы быть более устойчивыми и продуктивными в меняющемся климате».
Члены Института Уайтхеда Мэри Геринг и Цзин-Ке Венг, биологи растений, которые также являются доцентами кафедры биологии Массачусетского технологического института, возглавят два из этих проектов.
Повышение устойчивости сельскохозяйственных культур
На протяжении большей части истории человечества изменение климата происходило постепенно, в течение сотен или тысяч лет. Такой темп позволил растениям адаптироваться к колебаниям температуры, осадков и состава атмосферы. Однако антропогенное изменение климата произошло гораздо быстрее, и пострадали сельскохозяйственные культуры: во многих регионах снизилась урожайность сельскохозяйственных культур, равно как и содержание белка в семенах зерновых культур.
«Если мы хотим обеспечить изобилие питательной пищи для всего мира, нам необходимо разработать фундаментальные механизмы для биоинженерии широкого спектра сельскохозяйственных культур, которые будут и полезными, и питательными перед лицом нашего меняющегося климата», — говорит Геринг. В своей предыдущей работе она показала, что многие аспекты воспроизводства растений и развития семян контролируются эпигенетикой, то есть информацией вне последовательности ДНК. Она использовала эти знания и разработанные ею методы исследования, чтобы определить способы создания сортов семенных растений, которые являются более продуктивными и устойчивыми, чем современные продовольственные культуры.
Но биология растений сложна, и хотя можно вывести растения, объединяющие признаки, повышающие устойчивость, путем комбинирования разнородных родительских штаммов, ученые все еще учатся тому, как обеспечить передачу новых признаков из поколения в поколение. «Растения, обладающие свойствами, повышающими устойчивость, обладают «гибридной силой», и мы считаем, что сохранение этих признаков контролируется эпигенетикой, — объясняет Геринг. гибридная сила, но эти черты не наследуются. Вот почему фермеры, выращивающие многие из сегодняшних самых продуктивных сортов кукурузы, должны закупать и сажать новые партии семян каждый год. Более того, многие важные продовольственные культуры еще не осознали преимущества силы гибридов».
Возглавляемый Герингом проект «Развитие производства клональных семян для фиксации гибридной силы» направлен на то, чтобы позволить растениям пищевых культур создавать семена, которые одновременно более устойчивы и генетически идентичны родительским, и, таким образом, способны передавать полезные признаки из поколения в поколение.
Процесс клонального (или бесполого) образования семян, генетически идентичных материнскому родителю, называется апомиксисом. Геринг говорит: «Поскольку апомиксис присутствует у 400 видов цветковых растений — около 1 процента видов цветковых растений — вполне вероятно, что гены и сигнальные пути, необходимые для апомиксиса, уже присутствуют у культурных растений. Наша задача состоит в том, чтобы настроить эти гены и пути так, чтобы растение переключило размножение с полового на бесполое».
В проекте будет использован тот факт, что гены и пути, связанные с автономным бесполым развитием эндосперма — питательной ткани семени — существуют у модельного растения Arabidopsis thaliana. В предыдущей работе над арабидопсисом лаборатория Геринга исследовала специфический ген, который при неправильной регуляции стимулирует развитие бесполого эндоспермоподобного материала. «Обычно это семя было бы нежизнеспособным», — отмечает она. «Но мы считаем, что путем эпигенетической настройки экспрессии дополнительных соответствующих генов , мы позволим растению сохранить этот материал и поможем достичь апомиксиса».
Если Геринг и ее коллеги преуспеют в создании «формулы» экспрессии генов для внедрения апомиксиса эндосперма в широкий спектр сельскохозяйственных растений, они сделают фундаментальное и важное достижение. Такой метод можно было бы применять во всем сельском хозяйстве для создания и сохранения новых сортов сельскохозяйственных культур, способных выдерживать изменяющиеся условия, требуя при этом меньшего количества удобрений и меньшего количества пестицидов.
Создание «самооплодотворяющихся» культур
Примерно четверть выбросов парниковых газов (ПГ) в США приходится на долю сельского хозяйства. Согласно исследованию Frontiers in Plant Science, проведенному в 2018 году, на производство и использование удобрений приходится треть этих выбросов, включая закись азота, которая обладает способностью улавливать тепло в 298 раз сильнее, чем двуокись углерода. При производстве большинства искусственных удобрений также потребляется огромное количество природного газа и используются минералы, добытые из невозобновляемых ресурсов. После всего этого большая часть азотных удобрений становится стоком, загрязняющим местные водоемы. По этим причинам этот флагманский проект Climate Grand Challenges направлен на значительное сокращение использования искусственных удобрений.
Один из заманчивых подходов заключается в выращивании зерновых культур, на которые приходится около 75 процентов мирового производства продуктов питания, способных извлекать азот из метаболических взаимодействий с бактериями в почве. Венг из Института Уайтхеда возглавляет усилия, направленные на то, чтобы сделать именно это: генетически биоинженерные культуры, такие как кукуруза, рис и пшеница, чтобы, по сути, создать собственное удобрение за счет симбиотических отношений с азотфиксирующими микробами.
«Бобовые растения, такие как фасоль и горох, могут образовывать корневые клубеньки, через которые они получают азот от бактерий-ризобий в обмен на углерод», — объясняет Венг. «Этот метаболический обмен означает, что бобовые выделяют гораздо меньше парниковых газов и требуют гораздо меньших затрат ископаемой энергии, чем зерновые культуры, которые используют огромную часть азотных удобрений, производимых искусственным путем, используемых сегодня.
«Наша цель — разработать методы переноса способности бобовых к «самоопылению» на зерновые культуры», — говорит Венг. «Если мы сможем, мы произведем революцию в области устойчивого производства продуктов питания».
Проект, формально озаглавленный «Имитация симбиоза бобовых и ризобий для производства удобрений в злаках», будет многоэтапным и рассчитан на пять лет. Он основан на обширных исследованиях Венга по эволюции метаболизма растений и его идентификации молекул, участвующих в формировании корневых клубеньков, которые обеспечивают обмен между бобовыми и азотфиксирующими бактериями. Он также использует его опыт в восстановлении специфических сигнальных и метаболических путей в растениях.
Венг и его коллеги начнут с расшифровки всего спектра низкомолекулярных сигнальных процессов, происходящих между бобовыми и ризобиальными бактериями. Затем они генетически сконструируют аналогичную систему в небобовых культурах. Затем, используя современные метаболические методы, они определят, какие небольшие молекулы, выделяемые из корней бобовых, вызывают азотно-углеродный обмен у ризобиальных бактерий. Наконец, исследователи будут генетически проектировать биосинтез этих молекул в корнях небобовых растений и наблюдать за их влиянием на ризобиальные бактерии, окружающие корни.
Хотя проект сложный и технически сложный, его потенциал ошеломляет. «Если сосредоточиться только на кукурузе, это может сократить производство и использование азотных удобрений на 160 000 тонн», — отмечает Венг. «И это может вдвое сократить связанные с этим выбросы закиси азота».
No comments:
Post a Comment