Pocket K № 43: Биотехнология и изменение климата

Изменение климата и его влияние на сельское хозяйство

Постоянное увеличение выбросов парниковых газов приводит к повышению температуры атмосферы Земли. Это приводит к таянию ледников, непредсказуемому характеру осадков и экстремальным погодным явлениям. Ускоряющиеся темпы изменения климата в сочетании с ростом населения планеты и истощением сельскохозяйственных ресурсов угрожают продовольственной безопасности во всем мире.

Общее воздействие изменения климата на сельское хозяйство было описано Межправительственной группой экспертов по изменению климата (МГЭИК, 2007 г.) и приведено Агентством по охране окружающей среды США (2011 г.)1 следующим образом:

Повышение средней температуры приведет к: i) повышению продуктивности сельскохозяйственных культур в регионах с умеренным климатом в высоких широтах за счет удлинения вегетационного периода; ii) снижение урожайности сельскохозяйственных культур в низкоширотных субтропических и тропических регионах, где летняя жара уже ограничивает урожайность; и iii) снижение продуктивности из-за увеличения скорости испарения почвы.
Изменение количества осадков и закономерностей повлияет на скорость эрозии почвы и влажность почвы, которые важны для урожайности. Количество осадков увеличится в высоких широтах и уменьшится в большинстве субтропических регионов низких широт — в некоторых случаях примерно на 20%, что приведет к длительным периодам засухи.
Повышение концентрации CO в атмосфере₂ ускорит и улучшит рост некоторых сельскохозяйственных культур, но другие аспекты изменения климата (например, более высокие температуры и изменения количества осадков) могут свести на нет любой положительный стимулирующий эффект более высокого содержания CO.₂ уровни.
Уровни загрязнения тропосферного озона (или плохого озона,может повредить живую ткань и разрушить некоторые материалы) может увеличиться из-за роста CO₂ выбросы. Это может привести к повышению температуры, что компенсирует усиление роста сельскохозяйственных культур в результате более высокого уровня CO.₂.
Изменения в частоте и силе волн тепла, засух, наводнений и ураганов, остается ключевым неопределенным фактором, который потенциально может повлиять на сельское хозяйство.
Климатические изменения повлияют на сельскохозяйственные системы и может привести к появлению новых вредителей и болезней.

Статья в тему: Как проявляется усиленный парниковый эффект

В 2012 году почти 40% населения мира, составляющего 6,7 миллиарда человек, что эквивалентно 2,5 миллиардам человек, зависит от сельского хозяйства как источника средств к существованию и, таким образом, пострадает больше всего. 2
Чтобы смягчить эти последствия, необходимо изменить существующие подходы к сельскому хозяйству и внедрить инновационные стратегии адаптации, чтобы эффективно производить больше продуктов питания в стрессовых условиях и с чистым сокращением выбросов парниковых газов.

Вклад биотехнологических культур в смягчение последствий изменения климата

Зеленая биотехнология предлагает решение по снижению выбросов парниковых газов и, следовательно, смягчению последствий изменения климата. Биотехнологические культуры за последние 16 лет коммерциализации способствовали снижению выбросов CO.₂ выбросы. Они позволяют фермерам использовать меньше экологически чистой энергии и удобрений, а также практиковать секвестрацию углерода в почве.

Биотехнологические культуры, устойчивые к гербицидам, такие как соя и рапс, способствуют нулевой или нулевой обработке почвы, что значительно снижает потери почвенного углерода (поглощение углерода) и CO.₂ выбросы, сократить потребление топлива и значительно уменьшить эрозию почвы.
Биотехнологические культуры, устойчивые к насекомым, требуют меньшего количества распыляемых пестицидов, что приводит к экономии трактора / ископаемого топлива и, следовательно, к меньшему количеству CO.₂ выбросы. В 2011 году произошло сокращение на 37 миллионов кг активных ингредиентов, снижение количества опрыскиваний гербицидами и инсектицидами и вспашки, снижение выбросов CO.₂ эмиссия на 23,1 млрд кг CO₂ или убрать с дорог 10,2 млн автомобилей3.

Статья в тему: Почему у Венеры такой сильный парниковый эффект

Биотехнологические культуры, адаптированные к изменению климата

Культуры можно модифицировать с помощью биотехнологии быстрее, чем обычные культуры, что ускоряет реализацию стратегий, направленных на преодоление быстрых и суровых климатических изменений. Устойчивые к вредителям и болезням биотехнологические культуры постоянно развиваются по мере появления новых вредителей и болезней с изменением климата. Устойчивые сорта также сократят применение пестицидов и, следовательно, выбросы CO.₂ эмиссия. В ответ на климатические изменения были выведены культуры, устойчивые к различным абиотехническим стрессам.

Солеустойчивые культуры
Были разработаны биотехнологические солеустойчивые культуры, и некоторые из них проходят последние полевые испытания перед коммерциализацией. В Австралии с 2010 года продолжаются полевые испытания 1161 линии генетически модифицированной (ГМ) пшеницы и 1179 линий генетически модифицированного ячменя, которые содержат один из 35 генов, полученных от пшеницы, ячменя, кукурузы, кресс-салата, мха или дрожжей. до 2015 года. Ожидается, что некоторые гены повысят устойчивость к ряду абиотических стрессов, включая засуху, холод, соль и низкое содержание фосфора. Сахарный тростник, содержащий фактор транскрипции (OsDREB1A), также проходит полевые испытания с 2009 по 2015 год4.

У различных растений обнаружено более десятка других генов, влияющих на солеустойчивость. Некоторые из этих генов-кандидатов могут оказаться пригодными для развития солеустойчивости у сахарного тростника 4 , риса 5,6 , ячменя 7 , пшеницы 8 , томата 9 и сои 10 .

Засухоустойчивые культуры
Были разработаны трансгенные растения, несущие гены управления водным стрессом.Структурные гены (ключевые ферменты биосинтеза осмолитов, такие как пролин, глицин/бетаин, маннит и трегалоза, окислительно-восстановительные белки и ферменты детоксикации, стресс-индуцированные белки LEA) и регуляторные гены, включая факторы, реагирующие на дегидратацию, связывающие элементы (DREB), используются белки цинковых пальцев и гены фактора транскрипции NAC. Трансгенные культуры, несущие различные гены устойчивости к засухе, разрабатываются для риса, пшеницы, кукурузы, сахарного тростника, табака, арабидопсиса, арахиса, помидоров, картофеля и папайи. 11, 12

Статья в тему: Что такое парниковый эффект

Важной инициативой для Африки является проект «Водосберегающая кукуруза для Африки» (WEMA), осуществляемый кенийским Фондом африканских сельскохозяйственных технологий (AATF) и финансируемый Фондом Билла и Мелинды Гейтс (BMGF) и Фондами Говарда Дж. Баффета. Засухоустойчивые сорта WEMA, выведенные с помощью маркерной селекции, могут быть доступны фермерам в течение следующих двух или трех лет. Засухоустойчивые и защищенные от насекомых сорта, выведенные с использованием как передовой селекции, так и трансгенных подходов, могут быть доступны фермерам во второй половине десятилетия. 13 В 2012 году генетически модифицированная засухоустойчивая кукуруза MON 87460, которая экспрессирует белок B холодового шока, была одобрена для выпуска на рынок в США. 14

Биотехнологические культуры для холодостойкости
С помощью генетических и молекулярных подходов был идентифицирован ряд соответствующих генов, и постоянно появляется новая информация. Среди них гены, контролирующие CBF холодочувствительный путь и вместе с DREB1 гены интегрируют несколько компонентов реакции адаптации к холоду на толерантность к низким температурам. 15

Разрабатываются устойчивые к холоду ГМ-культуры, такие как ГМ-эвкалипт, который в настоящее время проходит полевые испытания в США компанией Arborgen LLC с 2010 года. DaIRIP4 из Дешапсия антарктическая, злаковая трава, которая хорошо себя чувствует при морозе до -30°C, и сахарный тростник интрогрессируют генами холодоустойчивых диких сортов. 4

Биотехнологические культуры для борьбы с тепловым стрессом
Экспрессия белков теплового шока (БТШ) связана с восстановлением растений при тепловом стрессе, а иногда даже во время засухи. HSP связывают и стабилизируют белки, денатурированные в условиях стресса, и обеспечивают защиту от агрегации белков. В ГМ хризантемах, содержащих ДРЕБИЯ ген от арабидопсис талийский, трансген и другие чувствительные к теплу гены, такие как HSP70 (белки теплового шока), были сильно экспрессированы при воздействии термической обработки. Трансгенные растения сохраняли более высокую способность к фотосинтезу и повышенные уровни ферментов, связанных с фотосинтезом. 16

Статья в тему: Сколько процентов составляет углекислый газ в парниковом эффекте

вперед

Улучшенные культуры, устойчивые к экстремальным условиям, вызванным изменением климата, ожидаются через несколько лет или десятилетие. Следовательно, производство продуктов питания в эту эпоху должно получить еще один импульс, чтобы поддерживать снабжение продовольствием удваивающегося населения. Биотехнологические исследования по смягчению последствий глобального потепления также должны быть инициированы для поддержания использования новых продуктов. Среди них: создание узловатых структур на корнях небобовых зерновых культур для фиксации азота. Это уменьшит зависимость фермеров от неорганических удобрений. Другой — утилизация избыточного CO.₂ в воздухе рисом основных культур путем преобразования его CO₂ использование возможностей пути от С3 до С4. Растения C4, такие как кукуруза, могут эффективно ассимилировать и преобразовывать CO.₂ к углеродным продуктам в процессе фотосинтеза.

использованная литература

Агентство по охране окружающей среды США. 2011. Сельское хозяйство и снабжение продовольствием: изменение климата, воздействие на здоровье и окружающую среду. 14 апреля 2011 г. http://www.epa.gov/climatechange/effects/agriculture.html.
ИФПРИ. 2009. Влияние изменения климата на сельское хозяйство и адаптация затрат. http://www.ifpri.org/sites/default/files/publications/pr21.pdf
Брукс, Г. и П. Барфут. 2012.Глобальные экономические и экологические преимущества ГМ-культур продолжают расти. http://www.pgeconomics.co.uk/page/33/global-impact-2012
Таммисола, Дж. 2010 г. На пути к гораздо более эффективным биотопливным культурам – может ли сахарный тростник проложить путь? ГМ-культуры 1:4; 181-198. http://www.landesbioscience.com/journals/gmcrops/02TammisolaGMC1-4.pdf
http://thesecondgreenrevolution.blogspot.com/2012/02/salt-tolerant-gm-barley-trials-in.html
http://irri.org/index.php?option=com_k2&view=item&id=9952:drought-submergence-and-salinity-management&lang=en
Испытания солеустойчивого генно-модифицированного ячменя в Австралии прошли успешно. http://thesecondgreenrevolution.blogspot.com/2012/02/salt-tolerant-gm-barley-trials-in.html
http://www.grdc.com.au/director/research/prebreeding?item_id=E31810F9A59C5C8E62BAE7
518CD28067&номер_страницы=1&фильтр1=&фильтр2=&фильтр3=&фильтр4=
Могаиб Р.Э., А. Накамура, Х. Санеока и К. Фуджита. 2011. Оценка солеустойчивости эктоин-трансгенных растений томата (Ликоперсикон эскулентум) с точки зрения фотосинтеза, осмотической регулировки и разделения углерода. ГМ-культуры. 2(1):58-65. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/21844699
http://www.springerlink.com/content/h51n73352374v877/.
http://bioeconomy.dk/outcome/presentations/27-march/panel-discussion-building-global-bioeconomy/zhang-yis-presentation
http://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/15427520802418251#preview
http://www.monsanto.com/ourcommitments/pages/water-efficient-maize-for-africa.aspx
http://www.aphis.usda.gov/newsroom/2011/12/brs_actions.shtml
Сангера, Г.С., С. Х. Вани, В. Хуссейн и Н. Б. Сингх. 2011. Создание устойчивости сельскохозяйственных культур к холодовому стрессу. Curr Genomics 12 (1): 30-43. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3129041/?tool=pubmed
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/19234675