Засухоустойчивая кукуруза: зарождающаяся реальность

Влияние засухи на кукурузу: масштаб проблемы

Кукуруза занимает третье (после пшеницы и риса) место среди наиболее важных хлебных злаков, выращиваемых во всем мире. Засуха является значительным стрессом, который ограничивает и уничтожает посевы кукурузы, а также одной из причин, объясняющих отличия между средним уровнем продуктивности культуры в странах умеренного климата и в тропическом регионе. В обоих регионах дефицит воды в течение вегетационного периода возникает непредсказуемо. Неоднородность структуры и изменчивость глубины плодородной почвы в пределах одного поля также указывают на разное содержание почвенной влаги, доступной растениям. Это приводит к высокой изменчивости урожайности (до 10 раз!) в относительно засушливый год. Поскольку фермеры обычно выращивают один сорт на определенном поле, возникает необходимость обеспечить достаточную засухоустойчивость подавляющего большинства гибридов и сортов, выращиваемых в неорошаемых условиях.

Большая часть мировой площади под посевами кукурузы (160 млн га) выращивается в неорошаемых условиях, а ежегодные потери урожайности вследствие засухи составляют приблизительно 15% от потенциальной мировой урожайности. Временный дефицит воды, возникающий в разное время, серьезно влияет на снижение урожайности в Кукурузном поясе США и составляет 20% за всю историю выращивания данной культуры. Потери урожая весьма значительны в тропических странах, где культуры выращиваются в период непредсказуемого сезона дождей, и несколько меньше в странах умеренного климата, где распространена практика орошения и распределение осадков в течение вегетационного периода более равномерное.

ОТ РЕДАКЦИИ

Отсутствие засухоустойчивости у культурных растений – существенное ограничение роста их продуктивности. Глобальное потепление, все более частые засухи и жаркая погода в дальнейшем будут лишь усугублять ситуацию. Поэтому при создании будущих культур придается первоочередное значение признаку засухоустойчивости. Биотехнологическое решение проблемы – из-за отсутствия серьезной доказательной базы – не может не тревожить общественность. Но хотим мы того или нет, а «поезд» в этом направлении движется, и довольно быстро. Полевое испытание новой трансгенной линии кукурузы в США уже начато нынешней весной. Следовательно, уже осенью американские фермеры смогут проверить заявленные биотехнологами цифры. Хотя они, эти цифры, вряд ли убедят нас в том, что мы вправе кардинально улучшать уже созданный мир… «Правило бумеранга» нередко напоминает нам об этом. И все же мы думаем, что серьезный обзор текущего состояния кукурузы с признаком засухоустойчивости, сделанный известным специалистом в этой области, будет с интересом воспринят нашими читателями.

Выращивание культур в регионах, подверженных засухам, сильно зависит от общего количества осадков в сезон выращивания. Почему проблему нельзя решить просто орошением культур? Увеличение орошаемых площадей будет происходить главным образом в Азии, где в основном и выращивают высокотоварные культуры. За последнее время стоимость электроэнергии для откачивания грунтовых вод в некоторых странах возросла в два раза. Таким образом, расширение посевов кукурузы будет производиться на малопродуктивных, предрасположенных к засухе землях с умеренным или тропическим климатом, но особенно в странах Африки, южнее Сахары. Учитывая недавний рост мировых цен на кукурузу и удобрения, повышаются и требования к росту урожайности и ее стабильности в климатической среде, где существуют реальные риски для выращивания культур вследствие засухи.

Прогнозируется, что изменчивость количества осадков (в том числе и засух) будет расти, а последствия глобального потепления будут все более ощутимыми. Из-за повышения температур и изменений в распределении осадков показатель дополнительных потерь зерна кукурузы может достичь 10 млн т/год, это приблизительно 5 млрд долларов США. Такие тенденции уже проявляются в некоторых регионах Северной Америки, где количество осадков в течение века может снизиться более чем на 50%. Засухоустойчивые и жаростойкие культуры будут иметь все большее значение для адаптации к этим переменам. Имеет место долгосрочная тенденция – к более жаркой и более сухой среде. Существует эмпирическое правило: 25% потерь от засухи можно предотвратить благодаря улучшению генетических признаков растения, 25% – путем применения водосберегающих агроприемов, а оставшиеся 50% потерь можно устранить лишь путем орошения.


Разработка биотехнологической продукции

Засухоустойчивость является сложным признаком. Приемлемая стратегия касательно трансгенных культур может быть основана на факторах транскрипции, влияющих на ряд генов, или на нескольких трансгенах, встроенных методами генной инженерии в одну и ту же генетическую конструкцию. Трансген-признак засухоустойчивости кукурузы был выделен компанией «Монсанто» из арабидопсиса (Arabidopsis). Его гомолог в геноме кукурузы был сверхэкспрессирован в кукурузе для получения гена, позволяющего в условиях стресса, вызванного засухой, увеличить урожайность на 8-15%. Степень увеличения урожайности зависит от генетического фона гибридного реципиента и изменяется в зависимости от среды. Данный ген, по-видимому, не снижает урожайность культур в отсутствии стресса, что является важным требованием для успешного использования трансгенной продукции в Северной Америке. Однако результаты тестирования подавляющего большинства трансгенов указали на некоторое снижение урожайности.

Доминантные гены-кандидаты практически наверняка будут влиять на интенсивность получения питательных веществ (т.е. на фотосинтез), а не на акцептирующие органы растения, где эти питательные вещества накапливаются (то есть на количество зерен в початке, цветение). В настоящее время компания находится в процессе получения разрешения регуляторных органов не только в Северной Америке, но и в Японии, и ЕС. Получено разрешение на тестирование данной разработки в Южной Африке. Компания «Монсанто» недавно подписала соглашение с компанией «БАСФ» о дальнейшей разработке зародышевой плазмы с признаком засухоустойчивости. По всей видимости, «БАСФ» направляет все кандидаты трансгенов с признаком засухоустойчивости в систему поставок семян «Монсанто».
Активную программу исследований признака засухоустойчивости на основе трансгенов провела компания «Пионер Хай-Бред». Еще в 2003-2004 гг. она заявила о том, что выявила эффективный трансген, способствующий увеличению количества зерен в початке в условиях стресса при цветении, но работа над данным ассортиментом продукции была остановлена. В настоящее время «Пионер» проводит тестирование возможного кандидата для выпуска в 2013 году. Способ действия данного трансгена не известен. Компания имеет в своем распоряжении отвечающие всем требованиям опытные участки (с возможностью контроля стресса культур) в Чили и Калифорнии – в отличие от участков в странах Африки южнее Сахары, техническая база которых не доведена до надлежащего уровня. Несмотря на это, компания «Пионер» может эффективно распространять усовершенствованную семенную продукцию в данном регионе.

Компания описывает три этапа процедуры выпуска зародышевой плазмы с признаком засухоустойчивости. На первом этапе выполняется тщательный отбор существующих элитных гибридов, проявивших исключительную засухоустойчивость (например 33D11). Второй этап разработки продукта основан на природных генах, полученных с помощью методов направленной маркер-сопутствующей селекции (МСС). При этом продукт будет готов через 2-3 года. На третьем этапе совместно используется традиционная селекция с одним или большим числом трансгенов. Продукция будет выпущена через 5 или более лет.
Данный подход подразумевает дополнение традиционной селекции механизмами получения трансгенов с признаком засухоустойчивости. Новые технологии могут сократить циклы селекции, а способы ускорения процесса включают неразрушающий анализ ДНК части семени, отделяемой с помощью лазерных технологий. Компания «Пионер» сотрудничает с израильской компанией «Иводжин», которая специализируется в области вычислительной геномики для нахождения предполагаемых генов с признаком засухоустойчивости.

Относительно меньше усилий в области исследований признака засухоустойчивости прилагает компания «Сингента». Она недавно подписала соглашение о проведении исследований с компанией «Перформанс Плантс Инк» для получения доступа к ее технологии защиты урожайности (ТЗУ). Их товарный трансгенный продукт с признаком засухоустойчивости, вероятно, появится после 2014 года.

Компания «БАСФ» приобрела бельгийскую компанию «КропДизайн», что дало ей доступ к исследованию генов риса с признаком засухоустойчивости. Компания «Дау» заключила договор с компанией «Сингента» и может поставлять ей варианты генов, стабилизирующих урожайность: они кодируют аденозиндифосфат (ADP) глюкозо-пирофосфорилазу с целью проведения тестирования. Компания «Дау» также заключила соглашения с компанией «Монсанто» об использовании технологии трансформации с несколькими генами (до 8 трансгенов одновременно).

Компания «Байер» проводит исследования генов, уменьшающих нагрузку окисления, вызванную засухой, что приводит к повреждению тканей. Перспективы запуска на рынок данного продукта остаются неясными. В целом, все три компании рассчитывают на основные семеноводческие компании для обеспечения интрогрессии, проведения полевых испытаний и получения разрешений регуляторных органов. Компания «Иводжин Лтд» подписала лицензионные соглашения с компаниями «Пионер» и «Монсанто».

Небольшая канадская компания «Перформанс Плантс Инк» недавно запатентовала свою технологию защиты урожайности (ТЗУ), основанную на разработанных с помощью методов генной инженерии версиях генов фарнезилтрансферазы арабидопсиса. Они увеличивают чувствительность к абсцизовой кислоте (ABA), обеспечивая быстрое закрытие устьиц в случае возникновения стрессовых для растений условий. Есть оптимальные результаты для рапса, но скромные результаты для кукурузы в условиях засухи. Эта компания заключила соглашения о проведении исследований с компаниями «Сингента» и «Пионер» и заявила о том, что засухоустойчивый сорт кукурузы проходит испытания в полевых условиях уже в течение 2 лет. Другие гены-кандидаты включают белки фактора транскрипции семейства DREB/ CBF. Они оказываются эффективными на стадии посева, однако их ценность для увеличения урожайности кукурузы или пшеницы в полевых условиях окончательно не была доказана, а сверхэкспрессия приводит к остановке роста.

Существует множество других предполагаемых генов с признаком засухоустойчивости. Большинство из них были опробованы для кукурузы транснациональными семеноводческими компаниями и оказались либо неэффективными для взрослых растений, выращиваемых на полях в условиях засухи, либо неприемлемыми из-за недопустимого сокращения урожайности при выращивании в оптимальных условиях. Лишь для немногих из них были оформлены пакеты документов на получение разрешений регуляторных органов.
Определение трансгенов для культур товарного качества, которые увеличили бы выживаемость в условиях засухи и продуктивность при надлежащем водоснабжении, остается длительным, трудоемким и дорогостоящим процессом. Однако доля успешных попыток быстро растет благодаря появлению новых аналитических инструментов геномики и вычислительной биологии. К сожалению, прогресс быстрых и недорогостоящих методов оценки фенотипов осуществляется гораздо медленнее.


Поставка продукции: проблемы и возможности

Распространение и внедрение зародышевой плазмы с признаком засухоустойчивости – очевидный шаг навстречу благоприятному воздействию технологий на поля фермеров и основное препятствие для использования данных технологий. В развитых странах их внедрение будет зависеть в основном от цены на семена, высокой и стабильной урожайности в условиях засухи в любое время в течение вегетационного периода, а также конкурентоспособной урожайности в условиях отсутствия стресса. Цена на семена и их доступность особенно важны для фермеров с недостаточными ресурсами, которые имеют небольшие возможности для устранения риска – несмотря на свою осведомленность о рентабельности данных технологий.

Гетерозис – это способ повышения устойчивости к стрессу самих гибридов, поэтому они, как правило, являются более засухоустойчивыми, чем СОС. Деятельность государственных и частных семеноводческих компаний в менее развитых странах затруднена ввиду ряда причин: отсутствие обученного персонала и конкурентоспособности, улучшающей качество продукции, ограничения на выдачу кредитов, слабая инфраструктура для дистрибуции и сбыта продукции, неадекватная политика семеноводства.

При внедрении трансгенных культур с признаком засухоустойчивости самым главным ограничивающим фактором является неполная нормативно-правовая база во многих развивающихся странах. В настоящее время трансгенные культуры могут пройти испытания и продаваться на рынке лишь в трех странах Африки южнее Сахары, так как в остальных положения, регулирующие проведение безопасных испытаний на поле и сопровождение работ, связанных с трансгенными культурами, еще не введены в действие.

Вторая проблема связана с внедрением трансгенных культур, которые похожи на свои обычные эквиваленты с точки зрения семян и продукции. Если гибрид, как правило, имеет лучшее качество с точки зрения агрономической оценки, внедрение трансгенных культур обычно осуществляется по устной рекомендации и необязательно по причине того, что они представляют собой засухоустойчивую продукцию. Если их превосходство проявляется лишь в годы засухи, понадобится основной подход к созданию бренда, который определит те области, где представители промышленного семеноводства гибридов приобрели опыт. Сложность управления, селекции и сопровождения работ, связанных с трансгенными культурами, предполагает, что поставки семян не смогут охватить основные группы фермеров и неосуществимы для ряда государственных семеноводческих организаций в менее развитых странах.
Успех объединенной селекции, тестирования и схемы дистрибуции является движущей силой продвижения, вслед за развитием и финансированием Проекта распространения засухоустойчивой кукурузы в Африке (DTMA). Данный проект включает амбициозные планы:
в течение 10 лет нужно создать зародышевую плазму кукурузы с увеличением урожайности на 1 т/га в условиях стресса, вызванного засухой;
на 20-30% увеличить среднюю продуктивность кукурузы мелких фермеров, осваивающих данный метод;
увеличить до 30-40 миллионов количество производителей в подверженных засухе странах Африки южнее Сахары;
будут потенциально способствовать приросту среднегодовой урожайности зерна, составляющей $160-200 млн.

Проект предусматривает улучшение признака засухоустойчивости ряда широко используемых сортов и разработку новых сортов, а также проведение испытаний в полевых условиях приблизительно на 400 участках с целевой средой. Приблизительно 80 семеноводческих компаний, ведущих деятельность в странах Африки южнее Сахары, принимают активное участие в тестировании и сбыте засухоустойчивых гибридов и сортов, созданных по Проекту DTMA, а также в завоевании доверия своих клиентов. Проект включает разработку инбредных линий, которые станут доступными для всех, кто будет нуждаться в засухоустойчивых семенах.

Транснациональные компании по производству семян кукурузы («Монсанто», «Пионер», «Сингента» и в меньшей степени «Паннар», «СидКо» и «Пасифик Сидз») имеют преимущество по сравнению с национальными семеноводческими компаниями. Оно заключается в том, что компании смогут перемещать адаптированную зародышевую плазму из одного региона в другой и сокращать накладные расходы на разработку продукции. Кроме того, более крупные транснациональные компании предусматривают в бюджете значительные расходы на исследования и имеют сети для позиционирования продукции, привлекающие поставщиков дополнительными технологиями (технологии для структуры гена-кандидата) для заключения соглашений о проведении исследований. Таким образом, они позиционируются с единственной целью – разработка и дистрибуция высококачественных семян трансгенных гибридов, размещение этих гибридов на соответствующих рынках.

Результаты применения зародышевой плазмы, улучшенной с помощью методов МСС, станут ощутимы в ближайшие 5 лет, а трансгенных гибридов с признаком засухоустойчивости – после 2017 года.


Путь вперед

Недавние значительные инвестиции Фонда Билла и Мелинды Гейтс в разработку и распространение засухоустойчивой кукурузы в странах Африки южнее Сахары послужили мощным стимулом для стабилизации и увеличения продуктивности кукурузы в этих подверженных засухе регионах, где кукуруза составляет важную часть питательного рациона населения. Данные разработки основаны на широкомасштабных научно-исследовательских работах, проводимых Центром CIMMYT в течение 35 лет. Исследовательская работа продвигается медленно, но существуют реальные перспективы увеличения темпов модернизации благодаря использованию новых технологий. Использование МСС для увеличения генетического эффекта в Проектах DTMA и WEMA может повысить данный эффект в два раза, а возможности стимулирования роста урожайности зерна трансгенных культур при засухах в сезон выращивания открывают исключительные перспективы.

Кроме того, три подхода – традиционные методы селекции, МСС и генетическая модификация – могут иметь суммарный эффект. Первые два подхода представляют собой перспективу постепенного роста урожайности через определенный промежуток времени, а увеличение урожайности на 15%, предлагаемое компанией «Монсанто» за счет трансгенных культур, может быть достигнуто с помощью традиционных методов селекции + маркер сопутствующей селекции в течение приблизительно 3-5 лет. Использование трансгенных культур дает однократное увеличение урожайности, достигаемое за счет МСС.

Тем не менее, если поставщики технологий, такие как компания «Монсанто», «Пионер», «Сингента» или «БАСФ», примут решение о запуске трансгенных культур новых разработок, которые смогут обеспечить аналогичное увеличение урожайности зерна приблизительно каждые 5 лет, и если их эффект также будет суммарным (хорошая возможность для такого сложного признака, как засухоустойчивость), то общее воздействие трансгенов, МСС и традиционных методов селекции для получения засухоустойчивого признака может вызвать значительное увеличение урожайности зерна.

В настоящее время представители частного сектора в США и Европе осуществляют крупные капиталовложения в развитие генетически модифицированных культур, которые сопоставимы с инвестициями государственного сектора в Китае, Индии, Бразилии и США. Недавнее заявление об инвестициях в размере $3,5 млрд в разработку генетически модифицированных культур в Китае в течение следующего десятилетия – пример наиболее ощутимых капиталовложений за последнее время.


Агрономические мероприятия

Усовершенствованные методы управления выращиванием культур могут дополнить использование засухоустойчивых гибридов и способствовать увеличению и стабилизации урожайности в неорошаемых условиях или в орошаемых условиях с ограниченным водоснабжением. Обеспечение оптимальной густоты посева, минимальной обработки почвы, борьбы с сорняками и надлежащего внесения удобрений на определенной стадии роста увеличивает эффективность использования воды (ЭИВ). Запасы воды для культуры могут быть увеличены с помощью методов сбора поверхностного стока и использования мульчи. В случае недостаточного водоснабжения методы орошения в условиях дефицита воды или использование воды с меньшим расходом, чем интенсивность суммарного испарения, могут увеличить ЭИВ при незначительных затратах по отношению к урожайности. Частичное высыхание корней, при котором чередуются режим подачи и прекращения подачи воды для орошения (для экономии), может вызвать адаптивный ответ на засуху и сэкономить до 25% от нормы расхода воды.

Источник журнал " Зерно"