Устойчивые к климату культуры: развитие устойчивости в меняющемся мире

Изменение климата ставит беспрецедентные задачи перед мировой продовольственной безопасностью. Повышение температуры, изменение режима осадков и увеличение частоты экстремальных погодных явлений, таких как засухи и волны жары, оказывают существенное влияние на урожайность сельскохозяйственных культур и производительность сельского хозяйства во всем мире. В ответ на эти вызовы разработка и широкое внедрение устойчивых к климату культур, особенно тех, которые обладают засухо- и жаростойкостью, становятся все более важными. В этой статье рассматривается важность этих культур, научные достижения, стимулирующие их развитие, и глобальные усилия, направленные на обеспечение устойчивого снабжения продовольствием для будущих поколений.

Острая необходимость в устойчивых к климату культурах

Сельское хозяйство исключительно уязвимо к изменению климата. Нехватка воды, тепловой стресс и изменение вегетационных периодов угрожают продуктивности основных культур, таких как пшеница, рис, кукуруза и соя. Эти уязвимости имеют далеко идущие последствия, в том числе:

• Снижение урожайности: Засухи и волны жары могут значительно снизить урожайность сельскохозяйственных культур, что приведет к нехватке продовольствия и волатильности цен.
• Повышение продовольственной незащищенности: Изменение климата непропорционально влияет на уязвимые слои населения, усугубляя продовольственную незащищенность в регионах, уже испытывающих проблемы с недоеданием.
• Экономические последствия: Неурожаи могут разрушить сельскохозяйственную экономику, повлияв на средства к существованию и региональную стабильность.
• Деградация окружающей среды: Интенсивное орошение в ответ на засуху может истощить водные ресурсы и способствовать деградации земель.

Поэтому разработка культур, способных выдерживать эти стрессы, необходима для смягчения негативного воздействия изменения климата на производство продовольствия.

Понимание засухо- и жаростойкости

Засухо- и жаростойкость — сложные признаки, регулируемые множеством генов. Растения используют различные механизмы для выживания и процветания в этих стрессовых условиях:

Механизмы засухоустойчивости:

• Уход от засухи: Некоторые растения завершают свой жизненный цикл до начала сильной засухи. Эта стратегия часто включает раннее цветение и быстрое созревание.
• Уклонение от засухи: Эти растения минимизируют потерю воды. Примеры включают в себя:
• Глубокие и разветвленные корневые системы для доступа к более глубоким источникам воды.
• Эффективное использование воды, такое как контроль устьиц для уменьшения транспирации.
• Модификации листьев, такие как более толстые кутикулы или уменьшенная площадь поверхности листьев, для минимизации потерь воды.
• Засухоустойчивость (толерантность к обезвоживанию): Эти растения могут выдерживать клеточное обезвоживание. Механизмы включают в себя:
• Накопление осмопротекторов (например, пролин, глицин-бетаин) для поддержания тургора клеток.
• Производство защитных белков (например, белков теплового шока) для стабилизации клеточных структур.

Механизмы жаростойкости:

• Белки теплового шока (HSPs): Эти белки защищают клеточные структуры от повреждений, вызванных нагреванием.
• Антиоксидантные системы: Тепловой стресс может приводить к образованию активных форм кислорода (АФК), которые повреждают клетки. Антиоксидантные ферменты и соединения нейтрализуют эти вредные молекулы.
• Стабильность мембран: Поддержание целостности мембран при высоких температурах имеет решающее значение. Растения с более стабильными липидами мембран проявляют большую жаростойкость.

Стратегии селекции для устойчивости к климату

Разработка устойчивых к климату культур включает в себя сочетание традиционных методов селекции и передовых технологий:

Традиционная селекция:

Это включает в себя отбор и скрещивание растений с желательными признаками в течение нескольких поколений. Основные этапы включают в себя:

• Фенотипирование: Оценка растений на засухо- и жаростойкость в контролируемых или полевых условиях. Это может включать измерение таких признаков, как урожайность в стрессовых условиях, эффективность использования воды и температура листьев.
• Отбор: Выявление и отбор растений с превосходными характеристиками в стрессовых условиях.
• Скрещивание: Скрещивание отобранных растений для сочетания желательных признаков.
• Обратное скрещивание: Скрещивание потомства с родительским растением для уточнения определенных признаков.

Современные технологии селекции:

Передовые технологии ускоряют разработку устойчивых к климату культур:

• Маркер-ассистированный отбор (MAS): Эта техника использует ДНК-маркеры, связанные с желательными генами, для более эффективного выявления растений с этими генами.
• Геномный отбор (GS): GS использует геномные данные для прогнозирования характеристик селекционных линий. Это повышает точность и эффективность отбора.
• Генетическая инженерия (GE): GE включает в себя прямое изменение генов растений для улучшения признаков. Примеры включают введение генов засухоустойчивости или жаростойкости от других организмов.
• Редактирование генома: Такие технологии, как CRISPR-Cas9, позволяют точно модифицировать гены растений с большей эффективностью и точностью, чем традиционная генная инженерия.

Примеры устойчивых к климату культур в действии

Многочисленные инициативы по всему миру разрабатывают и внедряют устойчивые к климату культуры:

Засухоустойчивая кукуруза

Исследователи и селекционеры добились значительного прогресса в разработке засухоустойчивых сортов кукурузы. Например, несколько семенных компаний предлагают засухоустойчивые гибриды кукурузы, которые могут поддерживать приемлемую урожайность даже в условиях дефицита воды. Эти сорта особенно важны в таких регионах, как Африка к югу от Сахары, где кукуруза является основной культурой, а нехватка воды является серьезной проблемой.

Жаростойкий рис

Рис является важнейшим источником пищи для миллиардов людей. Разработка жаростойких сортов риса имеет важное значение для обеспечения урожайности при повышении температуры. Ученые выявляют и включают гены жаростойкости в сорта риса. Например, IRRI (Международный научно-исследовательский институт риса) и национальные системы сельскохозяйственных исследований работают над жаростойкими сортами риса, подходящими для различных условий выращивания, включая Южную и Юго-Восточную Азию. Разработка и распространение этих сортов значительно помогают в регионах, где выращивание риса имеет решающее значение.

Засухоустойчивая пшеница

Пшеница является еще одной важной зерновой культурой, уязвимой к засухе. Селекционные программы сосредоточены на разработке сортов пшеницы, способных выдерживать нехватку воды. Эти усилия включают в себя выявление местных сортов пшеницы с превосходными признаками засухоустойчивости и использование маркер-ассистированного отбора для ускорения процесса селекции. Сорта с увеличенной глубиной корневой системы и эффективным использованием воды развертываются, особенно в таких регионах, как Австралия, Соединенные Штаты и Индия, где производство пшеницы сталкивается со значительным водным стрессом.

Другие культуры

Помимо кукурузы, риса и пшеницы, предпринимаются постоянные усилия по разработке устойчивых к климату сортов других важных культур, в том числе:

• Бобовые (фасоль, чечевица, нут): Разрабатываются засухоустойчивые бобовые для улучшения продовольственной безопасности и обеспечения источника фиксации азота в устойчивых системах земледелия, особенно в регионах с сухим климатом.
• Сорго и просо: Эти культуры по своей природе более засухоустойчивы, чем многие другие, и продолжают улучшаться посредством селекционных программ, обеспечивая жизненно важные источники пищи в засушливых и полузасушливых регионах Африки и Азии.
• Овощи и фрукты: Селекционные программы работают над повышением устойчивости овощей и фруктов, таких как помидоры, перец и манго, для переносимости теплового стресса и изменения доступности воды.

Глобальные инициативы и организации

Несколько международных организаций и инициатив играют решающую роль в развитии и распространении устойчивых к климату культур:

• CGIAR (Консультативная группа по международным сельскохозяйственным исследованиям): Центры CGIAR, такие как Международный центр улучшения кукурузы и пшеницы (CIMMYT) и Международный научно-исследовательский институт риса (IRRI), проводят исследовательские и селекционные программы, направленные на разработку устойчивых к климату культур для малообеспеченных фермеров в развивающихся странах.
• Глобальный фонд разнообразия сельскохозяйственных культур: Эта организация поддерживает сохранение и доступность разнообразия сельскохозяйственных культур, что необходимо для селекции устойчивых к климату культур.
• Национальные системы сельскохозяйственных исследований (NARS): NARS в различных странах активно участвуют в селекции устойчивых к климату культур и предоставлении фермерам консультационных услуг.
• Международные семенные компании: Многие семенные компании инвестируют в исследования и разработку устойчивых к климату культур, делая их доступными для фермеров во всем мире.

Проблемы и будущие направления

Несмотря на значительный прогресс, остается ряд проблем:

• Сложность признаков: Засухо- и жаростойкость — сложные признаки, контролируемые множеством генов, что делает селекцию сложной задачей.
• Взаимодействия с окружающей средой: На продуктивность сельскохозяйственных культур влияют взаимодействия между генами и окружающей средой, что затрудняет прогнозирование поведения сельскохозяйственных культур в конкретных условиях.
• Нормативные препятствия: Процесс утверждения генетически модифицированных культур может быть длительным и дорогостоящим, что может замедлить доступность этих культур.
• Справедливость и доступ: Обеспечение доступности устойчивых к климату культур для мелких фермеров, особенно в развивающихся странах, имеет важное значение для достижения продовольственной безопасности.

Будущие исследования и разработки должны быть сосредоточены на:

• Передовые технологии селекции: Ускорение использования геномного отбора, редактирования генов и других передовых технологий селекции для ускорения прогресса селекции.
• Понимание взаимодействий растений и окружающей среды: Улучшение нашего понимания сложных взаимодействий между растениями и окружающей средой для лучшего прогнозирования продуктивности сельскохозяйственных культур.
• Разработка стратегий разумного с точки зрения климата сельского хозяйства: Интеграция устойчивых к климату культур в более широкие сельскохозяйственные системы, способствующие устойчивому землепользованию, сохранению воды и интегрированной борьбе с вредителями.
• Повышение квалификации фермеров и консультационных услуг: Предоставление фермерам знаний и ресурсов, необходимых для эффективного внедрения и использования устойчивых к климату культур.

Практические выводы на будущее

Для обеспечения успеха устойчивых к климату культур необходимо предпринять ряд действий:

• Инвестировать в исследования и разработки: Правительства и частные организации должны инвестировать в исследования и разработки для разработки и развертывания устойчивых к климату культур. Это включает в себя финансирование селекционных программ, поддержку фундаментальных исследований и инвестиции в инфраструктуру и технологии.
• Содействовать международному сотрудничеству: Международное сотрудничество необходимо для обмена знаниями, ресурсами и селекционными материалами. Это включает в себя поддержку совместных исследовательских проектов, содействие обмену зародышевой плазмой и координацию нормативных рамок.
• Продвигать устойчивые методы ведения сельского хозяйства: Устойчивые к климату культуры наиболее эффективны при интеграции в устойчивые сельскохозяйственные системы, способствующие здоровью почвы, сохранению воды и интегрированной борьбе с вредителями.
• Поддерживать мелких фермеров: Обеспечить мелким фермерам доступ к устойчивым к климату культурам, обучению и финансовой поддержке. Это включает в себя предоставление семян и сельскохозяйственных ресурсов, а также предоставление консультационных услуг, чтобы помочь фермерам принять передовую практику.
• Повышение осведомленности общественности: Просвещать общественность о важности устойчивых к климату культур и их роли в обеспечении продовольственной безопасности. Это включает в себя повышение осведомленности о преимуществах этих культур и развеивание заблуждений.

Заключение

Устойчивые к климату культуры необходимы для обеспечения мировой продовольственной безопасности перед лицом изменения климата. Инвестируя в исследования и разработки, способствуя международному сотрудничеству, продвигая устойчивые методы ведения сельского хозяйства, поддерживая мелких фермеров и повышая осведомленность общественности, мы можем создать более устойчивую и справедливую продовольственную систему для будущих поколений. Разработка и широкое внедрение засухо- и жаростойких культур — это не просто сельскохозяйственный императив; это фундаментальный шаг на пути к построению более устойчивого и справедливого мира.