Кліматично стійкі культури: Розвиток стійкості в мінливому світі

Зміна клімату створює безпрецедентні виклики для глобальної продовольчої безпеки. Підвищення температури, зміна режиму опадів та збільшення частоти екстремальних погодних явищ, таких як посухи та спека, суттєво впливають на врожайність та продуктивність сільського господарства в усьому світі. У відповідь на ці виклики розробка та широке впровадження кліматично стійких культур, особливо тих, що виявляють посухо- та жаростійкість, стають все більш критичними. Цей допис у блозі розглядає важливість цих культур, наукові досягнення, що сприяють їхньому розвитку, та глобальні зусилля, спрямовані на забезпечення сталого постачання продовольства для майбутніх поколінь.

Нагальна потреба в кліматично стійких культурах

Сільське господарство є надзвичайно вразливим до зміни клімату. Дефіцит води, тепловий стрес та зміна вегетаційних періодів загрожують продуктивності основних культур, таких як пшениця, рис, кукурудза та соя. Ці вразливості мають далекосяжні наслідки, зокрема:

• Зниження врожайності: Посухи та спека можуть значно знизити врожайність, що призводить до дефіциту продовольства та коливань цін.
• Зростання продовольчої небезпеки: Зміна клімату непропорційно впливає на вразливі верстви населення, посилюючи продовольчу небезпеку в регіонах, які вже страждають від недоїдання.
• Економічні наслідки: Неврожаї можуть зруйнувати аграрні економіки, впливаючи на засоби до існування та регіональну стабільність.
• Деградація навколишнього середовища: Інтенсивне зрошення у відповідь на посуху може виснажувати водні ресурси та сприяти деградації земель.

Тому розробка культур, здатних витримувати ці стреси, є важливою для пом'якшення негативних наслідків зміни клімату на виробництво продуктів харчування.

Розуміння посухостійкості та жаростійкості

Посухостійкість та жаростійкість — це складні ознаки, що регулюються багатьма генами. Рослини використовують різні механізми для виживання та процвітання в цих стресових умовах:

Механізми посухостійкості:

• Втеча від посухи: Деякі рослини завершують свій життєвий цикл до початку сильної посухи. Ця стратегія часто включає раннє цвітіння та швидке дозрівання.
• Уникнення зневоднення: Ці рослини мінімізують втрати води. Приклади включають:
• Глибокі та розгалужені кореневі системи для доступу до глибших джерел води.
• Ефективне використання води, наприклад, контроль продихів для зменшення транспірації.
• Модифікації листя, такі як товстіша кутикула або зменшена площа поверхні листя, для мінімізації втрат води.
• Стійкість до посухи (толерантність до зневоднення): Ці рослини можуть витримувати клітинне зневоднення. Механізми включають:
• Накопичення осмопротекторів (наприклад, проліну, гліцин-бетаїну) для підтримки тургору клітин.
• Виробництво захисних білків (наприклад, білків теплового шоку) для стабілізації клітинних структур.

Механізми жаростійкості:

• Білки теплового шоку (HSPs): Ці білки захищають клітинні структури від пошкоджень, спричинених спекою.
• Антиоксидантні системи: Тепловий стрес може призвести до утворення активних форм кисню (АФК), які пошкоджують клітини. Антиоксидантні ферменти та сполуки нейтралізують ці шкідливі молекули.
• Стабільність мембран: Підтримання цілісності мембран при високих температурах є вирішальним. Рослини з більш стабільними мембранними ліпідами демонструють більшу жаростійкість.

Стратегії селекції для кліматичної стійкості

Розробка кліматично стійких культур включає поєднання традиційних методів селекції та передових технологій:

Традиційна селекція:

Це передбачає відбір та схрещування рослин з бажаними ознаками протягом багатьох поколінь. Основні етапи включають:

• Фенотипування: Оцінка рослин на посухо- та жаростійкість в контрольованих або польових умовах. Це може включати вимірювання таких ознак, як врожайність в умовах стресу, ефективність використання води та температура листя.
• Відбір: Виявлення та відбір рослин з найкращими показниками в умовах стресу.
• Схрещування: Схрещування відібраних рослин для поєднання бажаних ознак.
• Бекросинг: Схрещування потомства з батьківською рослиною для вдосконалення певних ознак.

Сучасні технології селекції:

Передові технології прискорюють розробку кліматично стійких культур:

• Маркер-асоційована селекція (МАС): Цей метод використовує ДНК-маркери, пов'язані з бажаними генами, для більш ефективної ідентифікації рослин з цими генами.
• Геномна селекція (ГС): ГС використовує геномні дані для прогнозування продуктивності селекційних ліній. Це підвищує точність та ефективність відбору.
• Генна інженерія (ГІ): ГІ передбачає пряму модифікацію генів рослин для посилення ознак. Приклади включають введення генів посухостійкості або жаростійкості з інших організмів.
• Редагування геному: Технології, такі як CRISPR-Cas9, дозволяють точно модифікувати гени рослин з більшою ефективністю та точністю, ніж традиційна генна інженерія.

Приклади кліматично стійких культур у дії

Численні ініціативи по всьому світу розробляють та впроваджують кліматично стійкі культури:

Посухостійка кукурудза

Дослідники та селекціонери досягли значного прогресу в розробці посухостійких сортів кукурудзи. Наприклад, кілька насіннєвих компаній пропонують посухостійкі гібриди кукурудзи, які можуть підтримувати прийнятну врожайність навіть в умовах дефіциту води. Ці сорти є особливо важливими в таких регіонах, як Субсахарська Африка, де кукурудза є основною культурою, а дефіцит води — значною проблемою.

Жаростійкий рис

Рис є життєво важливим джерелом їжі для мільярдів людей. Розробка жаростійких сортів рису є необхідною для забезпечення врожайності в умовах підвищення температур. Вчені виявляють та впроваджують гени жаростійкості в сорти рису. Наприклад, IRRI (Міжнародний науково-дослідний інститут рису) та національні системи сільськогосподарських досліджень працюють над створенням жаростійких сортів рису, придатних для різних умов вирощування, зокрема в Південній та Південно-Східній Азії. Розробка та поширення цих сортів значно допомагає в регіонах, де вирощування рису є вирішальним.

Посухостійка пшениця

Пшениця — ще одна важлива зернова культура, вразлива до посухи. Селекційні програми зосереджені на розробці сортів пшениці, які можуть витримувати дефіцит води. Ці зусилля включають ідентифікацію місцевих сортів пшениці з кращими ознаками посухостійкості та використання маркер-асоційованої селекції для прискорення селекційного процесу. Впроваджуються сорти зі збільшеною глибиною коренів та ефективним використанням води, особливо в таких регіонах, як Австралія, США та Індія, де виробництво пшениці стикається зі значним водним стресом.

Інші культури

Окрім кукурудзи, рису та пшениці, тривають зусилля з розробки кліматично стійких сортів інших важливих культур, зокрема:

• Бобові (квасоля, сочевиця, нут): Розробляються посухостійкі бобові для підвищення продовольчої безпеки та забезпечення джерела фіксації азоту в сталих системах землеробства, особливо в регіонах із сухим кліматом.
• Сорго та просо: Ці культури за своєю природою є більш посухостійкими, ніж багато інших, і їхні властивості продовжують покращувати за допомогою селекційних програм, забезпечуючи важливі джерела їжі в посушливих та напівпосушливих регіонах Африки та Азії.
• Овочі та фрукти: Селекційні програми працюють над підвищенням стійкості овочів та фруктів, таких як томати, перець та манго, до теплового стресу та змін у доступності води.

Глобальні ініціативи та організації

Кілька міжнародних організацій та ініціатив відіграють вирішальну роль у просуванні розробки та поширення кліматично стійких культур:

• CGIAR (Консультативна група з міжнародних сільськогосподарських досліджень): Центри CGIAR, такі як Міжнародний центр поліпшення кукурудзи та пшениці (CIMMYT) та Міжнародний науково-дослідний інститут рису (IRRI), проводять дослідження та селекційні програми, спрямовані на розробку кліматично стійких культур для бідних фермерів у країнах, що розвиваються.
• Глобальний трастовий фонд різноманіття культур: Ця організація підтримує збереження та доступність різноманіття культур, що є необхідним для селекції кліматично стійких сортів.
• Національні системи сільськогосподарських досліджень (NARS): NARS у різних країнах активно займаються селекцією кліматично стійких культур та надають консультаційні послуги фермерам.
• Міжнародні насіннєві компанії: Багато насіннєвих компаній інвестують у дослідження та розробку кліматично стійких культур, роблячи їх доступними для фермерів у всьому світі.

Виклики та майбутні напрямки

Хоча досягнуто значного прогресу, залишається кілька проблем:

• Складність ознак: Посухо- та жаростійкість є складними ознаками, що контролюються багатьма генами, що ускладнює селекцію.
• Взаємодія з навколишнім середовищем: На продуктивність культур впливає взаємодія між генами та навколишнім середовищем, що ускладнює прогнозування поведінки культури за певних умов.
• Регуляторні перешкоди: Процес регуляторного затвердження генетично модифікованих культур може бути тривалим і дорогим, що може уповільнити доступність цих культур.
• Справедливість та доступ: Забезпечення доступу до кліматично стійких культур для дрібних фермерів, особливо в країнах, що розвиваються, є важливим для досягнення продовольчої безпеки.

Майбутні дослідження та розробки мають бути зосереджені на:

• Передові технології селекції: Прискорення використання геномної селекції, редагування генів та інших передових технологій селекції для прискорення селекційного прогресу.
• Розуміння взаємодії рослин з навколишнім середовищем: Покращення нашого розуміння складних взаємодій між рослинами та їхнім середовищем для кращого прогнозування продуктивності культур.
• Розробка кліматично-розумних аграрних стратегій: Інтеграція кліматично стійких культур у ширші сільськогосподарські системи, що сприяють сталому управлінню земельними ресурсами, збереженню водних ресурсів та інтегрованому захисту рослин.
• Посилення освіти фермерів та консультаційних послуг: Надання фермерам знань та ресурсів, необхідних для ефективного впровадження та використання кліматично стійких культур.

Дієві кроки на майбутнє

Для забезпечення успіху кліматично стійких культур необхідні кілька дій:

• Інвестуйте в дослідження та розробки: Уряди та приватні організації повинні інвестувати в дослідження та розробки для створення та впровадження кліматично стійких культур. Це включає фінансування селекційних програм, підтримку фундаментальних досліджень та інвестиції в інфраструктуру та технології.
• Сприяйте міжнародній співпраці: Міжнародна співпраця є важливою для обміну знаннями, ресурсами та селекційними матеріалами. Це включає підтримку спільних дослідницьких проєктів, сприяння обміну гермоплазмою та координацію регуляторних рамок.
• Пропагуйте сталі сільськогосподарські практики: Кліматично стійкі культури є найефективнішими, коли вони інтегровані в сталі сільськогосподарські системи, що сприяють здоров'ю ґрунту, збереженню води та інтегрованому захисту рослин.
• Підтримуйте дрібних фермерів: Надайте дрібним фермерам доступ до кліматично стійких культур, навчання та фінансову підтримку. Це включає забезпечення доступності насіння та сільськогосподарських ресурсів, а також надання консультаційних послуг для допомоги фермерам у впровадженні найкращих практик.
• Підвищуйте обізнаність громадськості: Інформуйте громадськість про важливість кліматично стійких культур та їхню роль у забезпеченні продовольчої безпеки. Це включає підвищення обізнаності про переваги цих культур та розвіювання хибних уявлень.

Висновок

Кліматично стійкі культури є необхідними для забезпечення глобальної продовольчої безпеки в умовах зміни клімату. Інвестуючи в дослідження та розробки, сприяючи міжнародній співпраці, пропагуючи сталі сільськогосподарські практики, підтримуючи дрібних фермерів та підвищуючи обізнаність громадськості, ми можемо створити більш стійку та сталу продовольчу систему для майбутніх поколінь. Розробка та широке впровадження посухо- та жаростійких культур — це не просто сільськогосподарський імператив; це фундаментальний крок до побудови більш сталого та справедливого світу.