Бактерии и генетические исследования, в том числе почвенные микробы, могут обеспечить будущее сельского хозяйства
Мэгги Вагнер провела последние три лета в трейлере в отдаленном районе центрального Айдахо, где она собирает пробы почвы под дикими горчичными растениями (научное название Boechera stricta ). Хотя B. stricta - не обычное растение на заднем дворе, оно широко растет в районах, прилегающих к Скалистым горам. Каждый июнь Вагнер пакует чемоданы, прощается со своими друзьями в Дареме, Северная Каролина, и оставляет Бам-Бам, свой английский пойнтер-микс, с няней. Затем она присоединяется к своим коллегам из лаборатории Митчелл-Олдса в Университете Дьюка и уезжает на полевой сезон. Такова жизнь такого генетика-эволюциониста растений, как Вагнер, чьи исследования дают ключ к разгадке того, как вскоре мы сможем кормить мир более устойчивым образом.
После семичасового перелета из Роли-Дарема в Миссулу, штат Монтана, и двух с половиной часов езды от аэропорта, Вагнер и ее коллеги по лаборатории Митчелл-Олдс прибывают в свой базовый лагерь в Салмоне, штат Айдахо: кемпинг для автодомов, принадлежащий семье Хилд , расположенный вдоль реки Салмон. Каждое утро они загружают пикап припасами, а затем еще пару часов едут на полевой участок, такой как долина Махогани, одно из наиболее удаленных мест, где они собирают образцы и данные. Их путь в долину красного дерева коварный, он пролегает по длинным грунтовым дорогам долины Пахсимерой и поднимается по склону горы. «Дорога довольно сложная, - вспоминает Вагнер. «Это своего рода натяжка, чтобы называть это дорогой».
По прибытии на место, на луг, расположенный под самой высокой горой штата Айдахо, пик Бора, они приступили к сбору почвы в естественной среде обитания B. stricta . Их цель - изучить, как почвенные микробы в окружающей среде B. stricta могут изменить здоровье и приспособленность этих растений и заставить их цвести быстрее. «Существует множество свидетельств того, насколько важно время цветения для растений в дикой природе, а также в сельскохозяйственных условиях», - говорит Вагнер. «Изучение влияния встречающихся в природе микробных сообществ на время цветения было тем углом, который другие ученые еще не использовали»
Бактерии и генетические исследования, в том числе почвенные микробы, могут обеспечить будущее сельского хозяйства.
Чтобы проверить ее гипотезы, Вагнер и ее коллеги отправляют образцы, которые они собирают в долине Махогани и на других участках Айдахо, обратно в Дарем, где они анализируются на микробный состав. Различные популяции микробов с каждого участка изолируются, а затем помещаются в стерилизованную почву, очищенную от бактерий для подготовки к необходимым исследованиям растений. Выращивая B. stricta на почве, населенной различными известными наборами микробов, Вагнер может точно сказать, какие микробы имеют прямое влияние на здоровье растений.
В 2013 году Вагнер получила результаты, которые искала, и смогла подтвердить, что почвенные бактерии ускоряют время цветения растений B. stricta .
"Я до сих пор помню, как сидела в трейлере, управляла моделью, производила статистику и видела, какое большое влияние оказывают микробы на время цветения », - вспоминает она. «Я трижды проверил, все ли у меня правильно. Мне слишком много раз причиняли боль, чтобы поверить во что-то с первого раза."
Ее результаты показали, что изменение времени цветения, вызванное почвенными микробами, может увеличить или уменьшить общий урожай фруктов примерно на 9 процентов. Вагнер сразу понял, что ее выводы важны. В апреле 2014 года она опубликовала результаты в журнале Ecology Letters .
Исследование Вагнера - отличный пример того, как фундаментальные экологические исследования могут иметь глобальное влияние. Изучая эти маленькие микробы, Вагнер занимается фундаментальной наукой, необходимой для поиска способов увеличения сельскохозяйственного производства в ближайшие годы.
Учитывая прогнозируемое увеличение общей численности населения на 38 процентов к 2050 году, один из наиболее важных вопросов, который мы должны решить, - как увеличить запасы продовольствия, чтобы накормить в общей сложности 9,6 миллиарда человек. В статье, опубликованной в PNAS за 2011 год , Дэвид Тилман подсчитал, что поставки продуктов питания должны увеличиться как минимум вдвое. чтобы не отставать от растущего населения, но более широкое использование существующих сельскохозяйственных угодий сведет к минимуму экологические проблемы. Хотя Тилман предложил такие решения, как расчистка земель и «более широкое» использование существующих пахотных земель для повышения урожайности, он и его соавторы отметили, что «воздействие на окружающую среду и компромиссы ... неясны», и призвал к «траектории, которая адаптирует и передает технологии. для малообеспеченных стран, повышает плодородие их почв, обеспечивает более эффективное использование питательных веществ во всем мире и сводит к минимуму расчистку земель, что является многообещающим путем к более экологически устойчивой интенсификации сельского хозяйства и более справедливым глобальным поставкам продовольствия ».
Хотя сельское хозяйство оказывает значительное воздействие на окружающую среду, верно и обратное: экологические факторы (например, климат) оказывают значительное влияние на сельскохозяйственное производство: более частые засухи, наводнения и другие экстремальные явления, связанные с изменением климата, также могут иметь отрицательные последствия. влияние на производство продуктов питания к 2050 году .
Например, влияние повышения температуры и засухи уже очевидно в Центральной долине Калифорнии. Центральная долина, считающаяся одним из наиболее продуктивных в сельском хозяйстве мест в мире, является домом для более 250 товаров, что составляет 53,5 миллиарда долларов дохода штата от сельского хозяйства и 95 процентов производства продуктов питания в США. Повышение температуры привело к уменьшению тумана в Центральной долине, который обычно имеет решающее значение для защиты почек древесных орехов и косточковых плодов зимой, чтобы они могли правильно цвести весной. Хотя потеря этого густого тумана может снизить количество дорожно-транспортных происшествий, это также привело к недостаточному «периоду отдыха» для растений, что сказалось на урожайности сельскохозяйственных культур.
Мы часто слышим, что кишечные микробы полезны для человеческого организма. Пришло время для параллельных усилий в мире растений.
В результате - и учитывая прогнозируемые изменения численности населения в ближайшие десятилетия - ученые начали ломать голову над потенциальными решениями не только для поддержания урожайности, но и для ее увеличения. Кэтрин С. Поуп, биолог растений из отдела сельского хозяйства и природных ресурсов Калифорнийского университета, считает, что селективная селекция станет необходимой для создания сельскохозяйственных культур, которые лучше выдерживают более суровые климатические условия. «Люди нервничают, когда мы говорим о генетических решениях, но я не имею в виду ГМО: мы не собираемся брать гены лосося и вставлять их в грецкие орехи», - поясняет она. Вместо этого то, что она объясняет, касается, например, выращивания грецких орехов, которые лучше растут в более теплом климате, чем те, которые выращиваются в коммерческих целях. Тем не мение,
Хотя генетические решения могут быть не самым быстрым решением проблем в Центральной долине, работа Мэгги Вагнер предполагает, что бактерии могут значительно помочь в нашем движении к тому, что National Geographic называет «следующей зеленой революцией». Тилман призывает к радикальному изменению мышления сельскохозяйственных и экологических сообществ, и вполне вероятно, что бактерии могут помочь дать множество ответов о том, как прокормить растущее население мира.
*****
Сейчас довольно часто можно услышать, что кишечные микробы полезны для человеческого организма. Это потому, что ученые потратили последние несколько десятилетий, пытаясь понять роль человеческого микробиома - популяций бактерий, населяющих наши тела - в здоровье и болезнях. Пришло время для параллельных усилий в мире растений.
Работа таких ученых, как Вагнер, имеет решающее значение для этих усилий, но понимание микробиома растений - бактерий, которые тесно связаны с растениями - представляет собой уникальную задачу. Поскольку растения постоянно подвергаются воздействию воздуха и почвы, их микробиом намного сложнее, чем микробиом человека. Открытая система приводит к колонизации различных популяций бактерий в области, окружающей корень, сам корень, стебель, листья и плоды. Трудно точно определить роль каждой из бактерий: в столовой ложке почвы находятся сотни миллионов, а возможно, и миллиарды микробов. Поразительно представить, как растения могут отличать друга от врага, но, похоже, они это делают.
Более того, в ризосфере, почве, непосредственно окружающей корень, микробы набираются в зависимости от потребностей растения. Поскольку растения не могут выбирать почву, в которой они растут, они должны адаптироваться к окружающей среде, выделяя сахара и белки, которые привлекают определенные типы микробов. Именно эти микробы необходимы для обеспечения дополнительной функциональности растения. Генетика растения также влияет на то, какие микробы привлекаются к нему, добавляя еще один уровень сложности генетически модифицированным культурам: другими словами, нарушение генов растения может потенциально привлечь вредные бактерии в его ризосферу.
Джефф Дангл , уважаемый биолог растений, изучает взаимодействие между растениями и микробами почти три десятилетия. Во время недавней поездки в дом своей семьи в Центральной долине Дангл смог воочию увидеть влияние засухи на сельхозугодья и посетовал на меняющийся ландшафт в долине.
«Сейчас мы имеем дело с проблемой человеческих временных рамок», - говорит он. «Происходит изменение климата: оно вызвано поведением человека, и эти изменения необратимы. Если мы сможем понять взаимосвязь между химическим составом почвы, различными потребностями растений в питании и микробами, с которыми взаимодействует растение, мы сможем разработать бактериальные добавки для увеличения урожайности, что кажется огромной проблемой в Центральной долине ».
Затем он говорит с большей уверенностью: «Сельское хозяйство основывалось на циклах выращивания растений, но для многих деревьев это может занять десятки лет. Это будет сделано, но это не будет лучшим [краткосрочным] решением для Центральной долины ».
*****
В то время как такие ученые, как Вагнер и Дангл, глубоко копают, чтобы понять связи между микробами и растениями, отрасли также находят способы масштабировать более устойчивые решения для сельского хозяйства.
Monsanto, имеющая давнюю репутацию в области генетической модификации товарных культур, таких как кукуруза и соя, переходит на использование «биологических препаратов», то есть продуктов, полученных из живых микроорганизмов или содержащих их. Эти средства не только могут защитить урожай от вредителей и болезней, но также могут повысить продуктивность и плодородие растений. Более того, эти решения могут заменить существующие удобрения и химические спреи, используемые фермерами, что в конечном итоге снизит воздействие сельского хозяйства на окружающую среду. Многие из этих продуктов наносятся в качестве оболочки семян до того, как растения вырастут в почве, что снижает потребление воды (что может быть проблемой в местах, страдающих от засухи).
В феврале 2014 года Monsanto объявила об альянсе BioAg с Novozymes, глобальным биотехнологическим гигантом, занимающимся разработкой устойчивых решений для сельского хозяйства, биоэнергетики, бытовой химии, текстиля и фармацевтики. Альянс объединяет доступ и возможности Novozymes для исследований, а также полевые испытания и охват рынка Monsanto. В конечном итоге цель состоит в том, чтобы ускорить обнаружение микробов, которые могут положительно повлиять на здоровье растений и, в конечном итоге, на урожайность. Только в прошлом году обе группы работали вместе, чтобы протестировать свою продукцию на 170 000 полевых участках в 70 различных местах в США. Продукты, которые работали лучше всего, смогли обеспечить 14-процентное увеличение урожайности с гектара.
Над решениями работают и другие компании. Например, поскольку традиционные пестициды содержат химические вещества, оказывающие вредное воздействие на окружающую среду, Marrone Bio Innovations (MBI) разрабатывает биологические пестициды, которые обеспечивают тот же эффект, не нанося вреда экосистеме. В настоящее время у MBI есть четыре биологических инструмента, которые используются на международном уровне в таких странах, как Южная Африка, Эквадор, Панама и Перу. В планах компании - удвоить количество выпускаемой продукции и расширить свою международную деятельность.
Хотя биологические препараты, безусловно, популярны на рынке, они являются лишь частью - хотя и важной частью - общей картины. «Чтобы накормить мир, нам нужны все виды инструментов, - говорит Памела Марроне, основатель и генеральный директор MBI. «Биопрепараты могут принести растениям пользу, которую не могут использовать химические вещества и генетически модифицированные культуры. Если они обеспечат основу здоровья растений, мы в конечном итоге получим гораздо более высокий урожай ».
Марроне уверен, что биологические препараты могут помочь решить проблему продовольственной безопасности. Учитывая разнообразие способностей различных почвенных микробов и инвестиции в устойчивые технологии ведения сельского хозяйства, трудно не согласиться.
Мировой спрос на продовольствие и устойчивая интенсификация сельского хозяйства
Авторы: Дэвид Тилман, Кристиан Бальзер, Джейсон Хилл и Белинда Л. Бефорт
Слушания Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки, Vol. 108, № 50 (13 декабря 2011 г.), стр. 20260-20264.
Национальная Академия Наук
Автор: Х. Чарльз Дж. Годфрей
Слушания Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки, Vol. 108, No. 50 (13 декабря 2011 г.), стр. 19845-19846
Национальная Академия Наук
Почвенные микроорганизмы, опосредующие доступность фосфора
Авторы: Алан Э. Ричардсон и Ричард Дж. Симпсон
Физиология растений, Vol. 156, № 3 (июль 2011 г.), стр. 989-996
Американское общество биологов растений (ASPB)
Автор: Бет Азар
Слушания Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки, Vol. 107, № 30 (27 июля 2010 г.), стр. 13203-13205.
Национальная Академия Наук