Физиология растений и борьба с голодом

Физиология растений как наука была признана в 1800 г. За этот длительный путь своего развития она накопила колоссальный материал об организации, интеграции и регуляции физиологических функций при адаптации растений к условиям нестабильной среды

Физиология растений – наука фундаментальная, тем не менее, она вовлекается в решение многих глобальных общечеловеческих проблем, и, прежде всего, проблемы борьбы с голодом.

Помимо этого, создание новой главы физиологии растений – биологии культивируемых in vitro клеток и органов (чл.-корр. РАН Р.Г. Бутенко, докт. биол. наук А.М. Смирнов) – явилось фундаментальной основой клеточных биотехнологий, которые обеспечивают получение экологически чистого лекарственного сырья и ценных биологически активных соединений, что имеет важное значение для борьбы с болезнями.

Среди других глобальных вызовов следует назвать сохранение биоразнообразия генофондов редких и исчезающих видов растений с привлечением методов клеточной биологии и технологии криосохранения живых организмов.

Изучение физико-химических основ жизнедеятельности растительных систем позволило физиологии растений стать фундаментальной базой локальной, региональной и глобальной экологии. 

Это особенно важно в условиях неблагоприятных глобальных изменений климата и беспрецедентного техногенного загрязнения среды обитания растений, особенно в зонах экологических катастроф. 

В этой связи остро встает проблема экономного расходования запасов пресной воды, в решении которой лидирующая роль принадлежит опять-таки физиологам растений. 

И, наконец, изучение механизмов усвоения и преобразования энергии в процессе фотосинтеза позволит в обозримом будущем сконструировать искусственные фотосистемы, способные решить проблему обеспечения человечества возобновляемой экологически чистой энергией (проф. СИ. Аллахвердиев).

Это позволит реализовать пророческие слова Жюля Верна, который в 1875 году заявил:

«Я верю, что наступит такое время, когда вода будет использоваться в качестве топлива…Вода, таким образом, будет служить в качестве «каменного угля» будущего».

Несмотря на ключевую роль экспериментальной биологии (физиологии) растений в решении ряда глобальных общечеловеческих проблем, на протяжении всей своей истории физиология растений является теоретической основой высокопродуктивного земледелия.

Актуальность повышения продуктивности основных сельскохозяйственных культур и качества продуктов питания возрастает с каждым годом.

По данным ООН, ежегодно от недоедания умирает 5 млн детей в возрасте до 5 лет, свыше 800 млн человек испытывают хронический голод и более 2 млрд человек – анемию (из-за недостатка железа). Численность населения на Земном шаре в настоящее время составляет 7,7 млрд человек, в 2050 г. она составит 9,7 млрд человек, а в 2100 г. – 11,2 млрд, что потребует увеличения производства продуктов питания по меньшей мере на 40-60%.

1 этап «Зеленой революции»

Физиология растений вместе с рядом смежных дисциплин явилась фундаментальной основой трех этапов «зеленой революции» (Ю.Н. Зубарев Пермский аграрный вестник №3 (7) 2014), каждый из которых приводил к удвоению урожая. Выражение «зеленая революция» принадлежит директору Агентства США по международному развитию В. Гауду (1968 г.). 

Первый этап зеленой революции начался в середине XVIII века и продолжался в течение последующих 100 лет. Он был связан с открытием способности бобовых растений фиксировать атмосферный азот, с обогащением почвы азотом и введением бобовых в севооборот.

 Изучение процесса усвоения растениями азота воздуха является одной из ключевых проблем физиологии растений. На этом этапе урожай зерновых культур составлял 7-14 ц/га.

2 этап «Зеленой революции»

На втором этапе «зеленой революции», который завершился в 50-60-е годы XIX века, урожай зерновых достиг 14-30 ц/га.

 Двукратное увеличение урожая было связано с развитием теории минерального питания, чему посвящены сотни публикаций ведущих физиологов растений и агрохимиков, и активным использованием минеральных удобрений в сельском хозяйстве.

3 этап «Зеленой революции»

Третий этап (50-60 г г. ХХ в.) «зеленой революции» связан с созданием высокопродуктивных низкостебельных сортов пшеницы и риса, которые позволили в 2 раза увеличить урожай зерновых культур, а в Индии и Пакистане – в 4 раза. 

«Отцом» третьего этапа «зеленой революции» по праву считают лауреата Нобелевской премии Нормана Борлоуг. Во многих западных странах урожай хлебных злаков на третьем этапе «зеленой революции» стал достигать 50-100 ц/га. 

Столь стремительному развитию аграрной индустрии во многом способствовали колоссальные успехи в области физиологии растений

Была создана теория фотосинтетической продуктивности (чл.-корр. АН СССР А.А. Ничипорович), предложена и получила экспериментальное подтверждение теория гормональной регуляции онтогенеза растений (акад. М.Х. Чайлахян), разработаны общие принципы функционирования донорно-акцепторных отношений (акад. А.Л. Курсанов, акад. А.Т. Мокроносов); мощное развитие получила экологическая физиология растений (акад. Н.А. Максимов, чл.-корр. АН СССР И.И. Петинов, проф. П.А. Генкель и др.), широким фронтом развивались исследования по химической регуляции физиологических процессов с помощью пестицидов (чл.-корр. АН СССР Ю.В. Ракитин).

4 этап «Зеленой революции»

В конце прошлого столетия группа международных экспертов FAO призвала мировое сообщество приступить к разработке четвертого этапа «зеленой революции», основанного на современных биотехнологиях и, прежде всего, на методах генной инженерии. 

На заре развития генной инженерии колоссальные надежды общества в решении глобальной продовольственной проблемы были связаны с получением трансгенных (генетически модифицированных) растений. 

За годы развития генной инженерии в данной области достигнуты впечатляющие результаты.

В настоящее время трансгенными сортами растений в мире занято 191,7 млн га, что составляет около 10% всех посевных площадей. Ежегодно, начиная с 2000 по 2013 гг., площади, занятые трансгенными растениями, увеличивались на 10-15 млн га, однако в 2015 г. они не только не увеличились, а, напротив, сократились.

Возникает вопрос, почему замедлился (или остановился) интенсивный рост генно-инженерной индустрии в сельском хозяйстве?

Анализ выращиваемых коммерческих трансгенных сортов показывает, что 90% площадей, занятых генно-инженерными растениями, приходится на сорта, устойчивые к пестицидам (гербицидам) и листогрызущим насекомым.

Среди коммерческих сортов нет ни единого сорта, устойчивого к засухе, засолению, неблагоприятным температурам; сортов, обладающих высокой эффективностью использования воды или, например, минеральных элементов, что особенно актуально для современного сельского хозяйства.

Дело в том, что признаки устойчивости растений к пестицидам и насекомым являются моногенными, то есть кодируются одним единственным геном, тогда как признаки, определяющие продуктивность растений, их устойчивость к абиотическим факторам, носят полигенную природу, однако традиционная генная инженерия не научилась одновременно манипулировать многими генами.

Основной преградой на пути дальнейшего интенсивного коммерческого использования генно-инженерных технологий является недостаток фундаментальных знаний по механизмам устойчивости растений и механизмам регуляции и функционирования генома. 

Для восполнения указанных пробелов в настоящее время формируется новое научное направление – физиология трансгенного растения, чему был посвящен целый ряд Всероссийских и международных симпозиумов.

Не исключено, что широкие возможности генной инженерии станут базой для новых «зеленых революций».

Однако, прежде чем это произойдет, должен быть просчитан возможный риск от массового распространения рекомбинантных технологий, поскольку использование «химерных» растений остро ставит на повестку дня проблему биологической безопасности и «мирного сосуществования» чужеродных генов в рамках одной биологической системы. 

Стоит напомнить, что от получения (выделения их из пород Земли) первых радиоактивных материалов до полного осознания радиобиологической опасности прошло более 40 лет.

Ряд стран и регионов не разрешают выращивать на своих территориях трансгенные сорта растений, поскольку при широкомасштабном коммерческом выращивании эти растения и полученное из них продукты могут обладать реальными или потенциальными биологическими, экологическими и агротехническими рисками. В основе этих рисков опять-таки лежит несовершенство генно-инженерных технологий, слабая изученность структуры и функционирования генома высших растений, а также ошибочность моделей, применяемых для оценки биобезопасности продуктов питания. 

Отсюда следует, что прогресс в использовании современных биотехнологий в агробизнесе может быть связан с развитием методов молекулярных биотехнологий и получением новых знаний в области функционирования генома.

Существенным шагом вперед на пути усовершенствования генно-инженерных технологий является получение не трансгенных, а транспластомных форм растений с улучшенными свойствами.

В транспластомных растениях чужеродный ген вводится не в ядерный геном, как при получении трансгенных сортов растений, а в хлоропластный геном.

Следствием этого является:

• снижение экологических рисков при коммерческом выращивании транспластомных сортов растений,
• отсутствие сайленсинга, или «замолкания», встроенного трансгена в процессе онтогенеза,
• снижение потенциальных биологических рисков из-за возможности осуществлять точную сайт-направленную интеграцию конструкции в геном.
  

Надо отметить, что данная технология имеет существенные недостатки по сравнению с классической генной инженерией и пока не нашла практического применения.

Следующим важным шагом на пути дальнейшего развития молекулярных технологий в сельскохозяйственном производстве является система CRISPR/Cas9, практическое применение которой для геномного редактирования началось лишь в 2013 году.

Система CRISPR/Cas – это весьма перспективный способ геномного редактирования, который позволяет не только получать растения с модифицированным геномом без чужеродных генов, но и одновременно производить мутации в нескольких мишенях.

Данная технология интенсивно развивается, но в основном ее используют для инактивации (нокаута) генов, выступающих в качестве негативных регуляторов физиологических процессов (роста, развития, устойчивости к патогенам). Лишь единичные работы были направлены на замену дефектных аллелей функциональными или на вставку в геном целевых генов. 

Отсюда следует, что данная система широко апробируется на растительных моделях для решения различных задач по направленной модификации генома. В настоящее время мы не располагаем данными, которые позволяли бы судить о возможном плейотропном влиянии данного способа модификации генома на его функционирование и метаболизм растений.

Нет сомнения в том, что в решении проблемы голода на планете важная роль будет принадлежать современным молекулярным технологиям и активному использованию дикорастущих видов культурных растений в качестве доноров ряда ценных генов.

Любое вмешательство в геном предполагает исследование интегральных физиологических функций растения, без чего ни один сорт не может выйти на рынок. Другим условием коммерциализации сортов, полученных биотехнологическими методами, является доказательство их безопасности для человека и окружающей среды. 

Основная задача физиологов растений в этих условиях будет заключаться в создании научного и технологического фундамента обеспечения людей качественными продуктами питания (для решения глобальной продовольственной проблемы), ценным лекарственным сырьем, биопластмассами, биотопливом и другими фитопродуктами.

---

Владимир Васильевич Кузнецов, доктор биологических наук, чл.-корр. РАН, научный руководитель Института физиологии растений им. К.А. Тимирязева, 2020 г.