Зеленая контрреволюция: как цены на продукты влияют на гены
За прошедшую неделю было опубликовано несколько научных новостей, казалось бы, не слишком связанных между собой. Во-первых, наконец-то полностью расшифрован геном пшеницы. Важнейшее из культурных растений человечества довольно долго противилось научному познанию: его геном имеет гигантский размер, он более чем втрое больше генома человека. Однако и этот бастион пал.
Во-вторых, установлена статистическая связь между наличием продуктов разложения инсектицида ДДТ в крови матери и аутизмом у ребенка (о причинно-следственной связи речь пока не идет). Использование ДДТ давно запрещено в большинстве стран мира, однако эта новость заставляет задуматься о других наследиях «зеленой революции» 1940–1970-х годов, на гребне которой ДДТ когда-то пришел на планету.
В-третьих, опубликована работа китайских генетиков , углубляющая понимание тех генетических процессов, что лежали в основе той самой «зеленой революции». Исследование дает ключ к одной из проблем, доставшихся в наследство от той эпохи, — повышенной зависимости культурных растений от минеральных удобрений.
Все это — прекрасные поводы вспомнить о первой «зеленой революции» и задуматься о том, какой станет вторая.
Как ученые накормили мир
Считается, что «зеленая революция» началась в 1943 году в Мексике. Именно там были внедрены новые сорта пшеницы, выведенные незадолго до этого Норманом Борлоугом (в 1970 году он получил за это Нобелевскую премию мира). Сорта Борлоуга отличались низкорослостью и устойчивостью к полеганию, что сопровождалось высокой урожайностью. Этот подход тут же был подхвачен селекционерами других стран Латинской Америки и Азии. Большинство современных сортов зерновых, применяющихся в развивающихся странах, восходят к «зеленой революции».
Сыграли свою роль и другие научные открытия: в начале ХХ века была разработана технология производства азотных удобрений из атмосферного азота, а в 1940-х на смену минеральным пестицидам, содержавшим серу и медь, пришли органические, в том числе и пресловутый ДДТ. И хотя вредные последствия увлечения этими ядами человечество расхлебывает до сих пор, их токсичность все же была существенно ниже, чем у предшественников, а рабочие концентрации существенно меньше.
Наука отвечала на острый общественный запрос: дефицит продуктов питания в большинстве стран мира к середине ХХ века был чрезвычайно острым, и инвестиции в сельское хозяйство давали быструю отдачу. За двадцатилетие, последовавшее за «зеленой революцией», мировое производство зерновых увеличилось более чем в два раза. Цены на сельскохозяйственную продукцию снижались вплоть до 1975 года .
В чем же состояло мичуринское чудо, совершенное Борлоугом, и почему оно не удавалось селекционерам всех предшествующих тысячелетий? Дело в том, что растение и само радо продемонстрировать высокую урожайность, однако вынуждено соразмерять свои желания расти и производить семена из-за ограниченности ресурсов и враждебности среды. Только в середине ХХ века — из-за широкого внедрения удобрений и ядохимикатов — растениям удалось переложить эти заботы на человека. Сорта «зеленой революции» заплатили за свою урожайность повышенной зависимостью от достижений цивилизации и, главным образом, от минеральных удобрений. Их потребность в азоте непомерно велика не только в сравнении с дикими предками, но и с большинством сортов, культивировавшихся человечеством ранее. О том, какие генетические процессы лежали в основе этих перемен, биологи начали догадываться лишь в конце ХХ столетия, а основательно разобрались только сейчас.
Это у них гормональное
Ростом растений заведуют гормоны под названием гибберелины. Именно они передают приказ «Расти!» регуляторным белкам. Эти-то белки и оказались мутантными у сортов «зеленой революции», так что растение отказывалось подчиняться сигналу роста. В результате у злаков возникали «полукарликовый» фенотип, устойчивость к полеганию и повышенная урожайность. Другой виновник — ген риса SD1, продукт которого необходим для синтеза самих гибберелинов. Таким образом, главная особенность сортов Борлоуга — их устойчивость к гормональной регуляции.
Интересно, что согласно одному исследованию, у Борлоуга действительно были предшественники. В том самом гене SD1 обнаружены следы искусственного отбора , того, что проводили древние японские селекционеры тысячи лет назад. Возможно, остановило их на этом пути то обстоятельство, что высыпать на землю тонны минеральных удобрений в те далекие века не было никакой возможности.
Дальнейшие исследования показали, что все еще чуть-чуть сложнее. В отсутствие гормона злаку мешают расти особые белки с красивым названием DELLA — они сидят в начале всех генов, участвующих в процессе роста, и запрещают им работать. Таких генов довольно много, и среди них есть те, что отвечают за усвоение минерального азота: если растение не растет, азот ему не нужен и усваивать его ни к чему. В нормальном растении по сигналу гормона эти белки разрушаются, гены выходят из-под их опеки и запускают процессы усвоения питательных веществ и роста. Но в сортах «зеленой революции» это не происходит. Белки DELLA накапливаются и блокируют получение азота из почвы. Именно поэтому эти сорта и нуждаются в огромных дозах удобрений: необходимо переупрямить DELLA-блокаду и все же заставить пшеницу немного поесть.
С точки зрения экологии результат катастрофичен: в 2015 году в мире было использовано больше 100 млн тонн азотных удобрений. Большая часть этого количества попадает в водоемы и мировой океан, вызывая рост водорослей, которые активно используют растворенный в воде кислород. Водные экосистемы буквально задыхаются. С этим определенно надо что-то делать, и китайские ученые из пекинского Института генетики и биологии развития предложили многообещающий подход.
Китайские генетики в деталях разобрались с генами, контролирующими транспорт азота у риса. Оказалось, что кроме генов, кодирующих DELLA-белки, в процессе участвует еще один ген. Он кодирует белок по имени GRF4 («рост-регулирующий фактор 4»). До сих пор считалось, что от него зависит лишь размер зерна и урожайность. Оказалось, однако, что он влияет на усвоение азота и углерода, причем в отличие от DELLA влияет благотворно.
Чтобы продемонстрировать практический потенциал своей находки, исследователи сконструировали сорт риса с повышенным содержанием GRF4. Его потребность в азотных удобрениях оказалась сильно понижена — настолько, чтобы сэкономить в глобальном масштабе миллионы тонн удобрений. А фермерам — сэкономить те деньги, которые они могли бы на них потратить.
Революционная ситуация
Эффект «зеленой революции» в мировой экономике длился примерно до середины 1970-х: именно тогда стабилизировалось падение цен на продовольственные товары. Однако довольно долго продержалось смутное ощущение, что достижения «зеленой революции» (как, к примеру, промышленной революции XIX века) — однократный и перманентный переход сельского хозяйства на новую ступень, который больше никогда в истории человечества не повторится.
Широкая публика придает непомерно большое значение внедрению в сельское хозяйство генно-инженерных технологий и распространение ГМО — его принято считать чуть ли новой революцией (или, напротив, катастрофой). Однако генные модификации революционны не сами по себе: важно понимать, что именно и с какой целью модифицируется. В этом смысле разработка трансгенных сельскохозяйственных растений до сих пор в основном проходила в русле той самой «зеленой революции» 1950-х: подавляющее большинство сортов разрабатывалось с целью увеличить устойчивость к вредителям и пестицидам. Между тем этот подход породил целый букет экологических, экономических и социальных проблем. Растет понимание необходимости перемен. Очевидно, что вариант возвращения к органическому земледелию столь же нежизнеспособен, как идея перехода на гужевой транспорт ради борьбы с автомобильными пробками.
В 2008 году произошел резкий всплеск цен на продукты питания, который затем повторялся в 2011 и 2012 годах. Вновь, как и в послевоенные годы, в новых подходах к сельскому хозяйству появился очевидный экономический интерес. Эксперты делают вывод о том , что «Зеленая революция 2.0» стала неизбежной.
Работа китайских генетиков дает некоторые намеки на то, какой она будет. Во-первых, во многом она станет ревизией достижений той, первой революции: генетики наконец-то поняли на молекулярном уровне, на чем основывались достижения селекционеров середины ХХ века, и уже вполне способны скорректировать те эффекты, которые оказались нежелательными. Во-вторых, эта революция будет базироваться на значительно более глубоком понимании генетики и физиологии растений. Число расшифрованных геномов высших растений приближается к сотне , и теперь к ним добавился геном пшеницы — главного (наряду с рисом) культурного растения человечества. Появилась возможность тончайшим образом модифицировать сорта растений в интересах человечества, с учетом не только его экономических нужд, но и экологических тревог.
Что из этого получится, мы все, вероятно, очень скоро увидим. Может быть, «Зеленая революция 2.0» — это еще очень мягко сказано.
