Краще сільське господарство необхідне

Генетична інженерія стає важливим інструментом у вирішенні проблем продовольчої безпеки, оскільки наша цивілізація стикається з поєднанням зростаючого населення та нестабільності клімату. Це питання знову виходить на передній план важливих проблем, які потрібно вирішувати. Додаючи до цього ризику, багато інших факторів потрапляють до списку, роблячи цю проблему ще більш чутливою, такими як постійна шкода біорізноманіттю та вимирання видів, забруднення, ерозія родючого ґрунту, урбанізація оброблювальних земель тощо.

В результаті, на агрономів та рослинників накладається величезний тиск, щоб надати рішення, які в ідеалі одночасно забезпечать секвестрацію вуглецю, збільшення виробництва їжі та зменшення впливу на оброблювальні землі.

“Якщо ми не зробимо це правильно, я насправді не думаю, що щось інше дійсно має значення.”
— Державний секретар США Ентоні Блінкен на заході Global Solutions for Food Security у Нью-Йорку у вересні 2023 року.

Генетична інженерія як обіцянка

Одним з найобіцяючіших інструментів є генетична інженерія, але вона має інший фокус, ніж попереднє редагування генів рослин. У той час як попередній фокус був на досягненні вищих врожаїв будь-якою ціною та в поєднанні з важкими хімічними внесеннями, більш просунуті методи можуть поєднувати вищу продукцію з більш стійкими результатами.

Цю думку розвиває Стівен Лонг, професор агрономії та рослинної біології в Університеті Іллінойс Урбана-Шампейн, у публікації, що має назву “Needs and opportunities to future-proof crops and the use of crop systems to mitigate atmospheric change”.

Змінюючася планета

Похмура картина?

Перед тим як обговорити, як адаптуватися, нам потрібно зрозуміти, що змінюється, і картина є надзвичайно складною. Глобальне потепління, як очікується, не лише змінить середні умови, роблячи деякі райони більш родючими, а інші менш, але також збільшить частоту та інтенсивність екстремальних подій.

Це включає екстремальні температури, посуху, повені та рівні озону на поверхні, всі з яких можуть драматично вплинути на врожайність, навіть більше, ніж загальна зміна середніх умов, для якої зміна сільськогосподарських методів може бути достатньою.

Генетична інженерія, Кліматичні зміни та їх наслідки

Атмосферний CO2 досяг 427 p.p.m. у 2024 році і прогнозується, що він становитиме приблизно 600 p.p.m. до 2050−2060 років.
У такому сценарії глобальна середня температура може піднятися ще на 1.2°C до 2050−60 років, до 2.7°C вище доіндустріальних температур.
Світ потребуватиме від 35 до 56% більше їжі до 2050 року через збільшення споживання на душу населення, зростаюче населення та збільшення відходів виробництва їжі, оскільки більше людей переїжджає до міст.

Коли це поєднується з очікуваними втратами врожаю від екстремальних подій і зміщеннями в кліматі, це приблизно означає, що потрібно майже подвоїти глобальне виробництво їжі до 2050 року.

Не все погано

Однак зростання CO2, що стоїть за змінами клімату, має позитивний ефект: воно стимулює ріст рослин. Насправді, підвищені концентрації CO2 регулярно використовуються в теплицях для підвищення врожайності.

Сучасні елітні сорти рису та сої демонструють збільшення врожайності приблизно на 30% при підвищенні CO2 до очікуваних рівнів 2050−60 років.
C4 культури — кукурудза та сорго — не демонструють збільшення врожайності, оскільки вони вже насичені CO2 на сьогоднішніх підвищених рівнях.

Це особливо вірно для рослин з метаболізмом C3, до яких належать більшість не тропічних культур, і які складають велику частину основних продуктів харчування світу.

Генетична інженерія, Вирішення сільськогосподарських проблем

Озон на низькій висоті

Тропосферний озон (O3) є вторинним забруднювачем, що утворюється внаслідок дії сонячного світла на леткі органічні сполуки та оксиди азоту в забруднених повітряних масах. Сьогодні рівні >100 ppb часто можна знайти в сільських районах кукурудзяного поясу США, з значно вищими рівнями в основних зонах виробництва культур Китаю та Індії.

“Озон вже викликає 5% втрат для сої та приблизно 10% для кукурудзи в США, що обходиться приблизно в 9 мільярдів доларів щорічно. Загалом це може призвести до втрати до 10% глобальних культур.”

Генетична модифікація анатомії рослин, особливо продихів (ділянок, що дозволяють повітрю входити в листя), може зменшити проникнення озону та шкоду. Як CO2 концентрація зростає, менше відкриті продихи не повинні суттєво впливати на ефективність фотосинтезу.

Посуха та використання води

Вищі температури та більш екстремальні погодні умови, як очікується, будуть пов’язані з більшою нестачею води. До 2050 року глобальні втрати врожаю від посухи в кукурудзі прогнозуються на рівні 21.3% порівняно з попереднім середнім показником 12.0% за період 1961–2006 років, а для пшениці — з 9.6% до 15.5%.

Пропорція регіонів, які постраждали від посухи, зросте найбільше в Африці та Океанії, з теперішніх 22% та 15% відповідно до 59% та 58% до кінця століття.

Тут також нижче відкриття продихів може допомогти зменшити потреби в воді у рослин і зменшити стрес під час посухи.

“Результат становив 15% поліпшення ефективності використання води на рівні листя у вирощеному в полі тютюні та 30% зменшення загального використання води рослиною.”

Генетична інженерія, така як введення білка холодового шоку Bacillus subtilis (cspB) у рослину, може покращити стійкість до посухи, але ще не була переведена в комерційні застосування.

Генетична інженерія, Підвищення секвестрації вуглецю

Врешті-решт, рослини є машинами, які перетворюють воду, CO2 та сонячне світло на органічну речовину. Лише 50% біомаси культур збирається, а решта залишається у вигляді стебел або коренів. Якщо ця органічна речовина могла б залишатися в ґрунті, замість того щоб розкладатися за кілька років, це збільшило б чистий наземний вуглецевий поглинач на 50%.

Глибші корені в поєднанні з методами безобробкового землеробства можуть бути відповіддю, з кількома механізмами, що активуються одночасно, коли зміцнені кореневі системи проектуються, або через генетичну маніпуляцію, або через спеціалізовані програми селекції:

Поліпшення якості ґрунту та його здатності утримувати воду.
Поліпшення стійкості рослин до посухи, підтримуючи вищий рівень поглинання вуглецю в будь-який час.
Зміна складу клітинної стінки, з більшою кількістю лігніну та довгими вуглецевими молекулами, також може зробити отриману мертву органічну речовину набагато більш стійкою до розкладання, затримуючи вуглець під землею на десятиліття, або навіть століття.

Нарешті, можна вжити ще більш проактивного підходу, з метою безпосередньо “фермерувати” та затримувати вуглець на промисловому рівні. Вчені виявили високопродуктивні C4 багаторічні трави, такі як Miscanthus × giganteus або switchgrass (Panicum virgatum) та prairie cordgrass (Spartina pectinata), які можуть затримувати до 130 тонн CO2 на гектар за один рік, або, можливо, навіть більше для деяких сортів.

Використовуючи BECCS (біоенергія з уловленням та зберіганням вуглецю), ця біомаса може бути спалена для генерації електрики, а отриманий CO2 захоплюється та передається на глибоке підземне зберігання.

Встановлення відповідних регуляцій

Генетична інженерія, Навігація суперечностями

Проблема з масовим впровадженням таких модифікованих культур, які можуть або вирощувати врожай в умовах зміни клімату, або навіть сприяти його пом’якшенню, полягає в тому, що це, безумовно, вимагатиме використання ГМО-культур. У цьому контексті небажання великих регіонів використовувати такі культури може бути великою перешкодою для будь-яких біотехнологічних рішень щодо зміни клімату та продовольчої нестачі.

Це особливо вірно для ЄС, який часто прямо забороняє ГМО-культури. Але інші регіони також мають тенденцію повністю забороняти ГМО з органічних етикеток, незважаючи на суворі цілі щодо збільшення частки їх сільського господарства, що підпадає під органічну етикетку.

Отже, в нинішньому законодавчому контексті захист навколишнього середовища шляхом більш органічного землеробства може означати шкоду навколишньому середовищу, пропускаючи покращені врожаї та збільшуючи поглинання вуглецю.

Це була тема публікації в престижному науковому журналі Cell, що має назву “New genomic techniques in organic production: Considerations for science-based, effective, and acceptable EU regulation”.

Генетична інженерія: CRISPR та інші нові геномні технології (NGTs)

Ключовим питанням є відрізнити нові геномні технології (NGTs) від старіших, більш грубих методів, які раніше використовувалися для створення ГМО. Цей набагато більш контрольований та точний метод генетичної інженерії включає CRISPR-Cas9, технологію направленої нуклеази (SDN), олігонуклеотидно-направлену мутагенезу (ODM) та РНК-залежну метилювання ДНК (RdDm).

На відміну від вставки чужого гена в рослину, NGT може або створити цільову мутацію, яка могла б природно виникнути, або вставити матеріал з рослини, яка могла б природно перетворитися з цільовою культурою.

Ці дві нові геномні технології можуть бути вирішальними для стійкості культур.

“Органічне сільське господарство може відігравати важливу роль у переході до більш стійких продовольчих систем. Більша увага до ефективності та стійкості може бути досягнута шляхом введення більшої різноманітності культур, розвиток яких може бути полегшений та прискорений за допомогою NGT.”

Таким чином, хоча NGT не є повністю “природними”, вони також не створюють щось нове, що ніколи не могло б виникнути спонтанно, а просто “направляють руку природи”.

Прихильники цієї позиції вважають, що необхідно зрозуміти природу NGT та зробити нюансовані відмінності між технологіями, що розглядаються (ГМО проти NGT).

Генетична інженерія, Чи можуть органічні етикетки адаптуватися до NGT?

Велика причина, чому регулятори та громадськість обидва були неохочі приймати навіть “природні” NGT в органічну етикетку, полягає в тому, що це може в основному зашкодити сприйняттю цієї етикетки.

Натомість автори статті пропонують створити етикеткові схеми “органічні + NGT”, які чітко вказують, що це не просто “класична органічна” схема сільського господарства, але також не звичайні ГМО.

Якщо органічне сільське господарство є просуваним типом сільськогосподарського виробництва в ЄС, всі форми органічного виробництва (включаючи NGT+) повинні бути прийняті при оцінці досягнення органічних цілей в ЄС.

Це може відкрити шлях до більш широкого поширення органічних методів вирощування, не жертвуючи врожаями. Особливо оскільки органічні етикетки виходять далеко за межі лише сортів рослин, але також і методів вирощування, таких як використання пестицидів та гербіцидів, методи оранки та посадки тощо.

Генетична інженерія: Заключні думки щодо редагування генів та стійкості сільського господарства

Змінюючі кліматичні умови та зростаючий попит на їжу є як великим ризиком, так і великою можливістю. З одного боку, це може спричинити величезні людські страждання та екологічні збитки. З іншого боку, це може бути імпульсом, який спонукає нас створити кращі та більш стійкі форми сільського господарства.

Це, ймовірно, пройде через деяку модифікацію генетики наших культур, як це відбувається з початку сільського господарства. Нові геномні технології тепер можуть використовувати багатство геномних даних, накопичених за останні десятиліття, щоб створити більш стійкі та продуктивні рослини.

Тим часом, наші регуляції та сприйняття генетичної інженерії також повинні еволюціонувати. Остаточна мета захисту навколишнього середовища повинна подолати упередження щодо ГМО, створених, коли генетична інженерія ще була відносно примітивною.

Це не означає, що неконтрольована модифікація нашої біосфери повинна бути безмежною, але що більш відкритий та обережний підхід, що використовує всі доступні нові інструменти, може забезпечити найкращі можливі результати, зменшуючи більшість ризиків.

Інноватор у генетичній інженерії рослин

Corteva

Corteva, Inc. (CTVA -1.54%) є світовим лідером у технологіях сільського господарства, особливо в хімікатах та насінні. Вона також дуже активна у нових технологіях сільського господарства, таких як робототехніка.

З 17.2 мільярда доларів чистого продажу у 2023 році, понад 22,500 працівників та більше 10,000,000 клієнтів, компанія є однією з найбільших у своєму секторі, поряд з конкурентами з США Bayer та Syngenta.

Загалом, і, можливо, відображаючи глибшу тенденцію до зменшення споживання та збільшення конкуренції, продажі хімікатів (пестицидів, гербіцидів тощо) знизилися у 2024 році, тоді як продажі насіння зросли.

У глибшому аналізі основний бізнес Corteva в насінні зосереджений на кукурудзі та сої, що складає основну частину доходу компанії в цьому сегменті.
Найбільш помітно, соя “Enlist E3” Corteva, з опором до 3 гербіцидів (2,4-D choline, гліфосат та глюфосинат), зросла з менше 5% у 2019 році до понад 65% на ринку США.

У захисті культур/хімікатів більше половини продажів припадало на гербіциди, решта складалася переважно з інсектицидів та фунгіцидів.

Corteva побудувала свій нинішній бізнес навколо традиційного індустріального сільського господарства, яке все ще є дуже прибутковою діяльністю, що підтримує нинішній бюджет R&D.

Однак, як ми обговорили тут і в попередній статті “Майбутнє сільського господарства”, нові можливості відкриваються, і Corteva веде цю справу:

Редагування генів існуючих культур, включаючи використання технології CRISPR.
Інноваційний центр для агротехнологічних стартапів, Corteva Catalyst. “Платформа машинного навчання допомагає в зусиллях по ландшафтному аналізу сектора та ідентифікації технологій, що мають відношення до пріоритетів досліджень Corteva.”
Біостимулятори, біоконтроль та інші продукти природного походження, такі як феромони комах з доведеними та передбачуваними результатами.
Азотфіксуючі бактерії (BlueN™ або Utrisha™ N) для створення додаткових безхімічних добрив.
Зерно, біофортіфіковане вітаміном А для покращення харчування в бідних країнах.
Ходячі роботи для рядкових культур.
Експерименти з впровадженням ШІ на фермах, від збору фруктів до визначення найкращих рослин для відбору ознак для виробництва насіння.
Повний набір програмних рішень, від даних зображень землі до програмного забезпечення для управління фермою та моніторингу та продажу вуглецевих кредитів.