Майбутні культури: чи може редагування генів вирішити питання продовольчої безпеки?

Потрібне краще сільське господарство

Оскільки наша цивілізація стикається зі зростанням населення та кліматичною нестабільністю, питання продовольчої безпеки знову виходить на перший план серед важливих проблем, які потрібно вирішити. До цього ризику додається багато інших, що робить проблему ще більш делікатною, як-от постійна шкода біорізноманіттю та вимирання видів, забруднення, ерозія родючих ґрунтів, урбанізація орних земель тощо.

В результаті, на агрономів та вчених-рослинників зростає величезний тиск, щоб вони запропонували рішення, які в ідеалі дозволили б одночасно забезпечити секвестрацію вуглецю, збільшення виробництва продуктів харчування та зменшення впливу на орні угіддя.

«Якщо ми не зробимо це правильно, я насправді не думаю, що щось інше має справді, справді значення»

Державний секретар США Ентоні Блінкен на заході «Глобальні рішення для продовольчої безпеки» в Нью-Йорку у вересні 2023 року

Одним із найперспективніших інструментів є генна інженерія, але вона має інший фокус, ніж редагування генів попередніх сільськогосподарських культур. У той час як попередня увага була зосереджена на досягненні вищих врожайностей будь-якою ціною та в поєднанні з значними хімічними вживаннями, більш просунуті методи можуть поєднувати вищу продуктивність з більш сталими результатами.

Цей аргумент виклав Стівен Лонг, професор сільськогосподарських наук та біології рослин в Університеті Іллінойсу Урбана-Шампейн, у своїй публікації.¹ з назвою "Потреби та можливості для забезпечення майбутнього розвитку сільськогосподарських культур та використання систем вирощування сільськогосподарських культур для пом'якшення атмосферних змін".

Планета, що змінюється

Похмура картина?

Перш ніж обговорювати, як адаптуватися, нам потрібно зрозуміти, що змінюється, і картина надзвичайно складна. Очікується, що глобальне потепління не лише змінить середні умови, зробивши деякі райони більш родючими, а деякі менш, але й збільшить частоту та інтенсивність екстремальних явищ.

Це включає екстремальні температури, посуху, повені та рівень поверхневого озону, які можуть суттєво вплинути на врожайність сільськогосподарських культур, навіть більше, ніж загальна зміна середніх умов, для якої може бути достатньо зміни методів ведення сільського господарства.

Атмосферний рівень CO2 досяг 427 ppm у 2024 році та, за прогнозами, становитиме приблизно 600 ppm до 2050-2060 років. За таким сценарієм середня глобальна температура може зрости ще на 1.2°C до 2050-60 років, що на 2.7°C вище за доіндустріальні температури.

Що стосується продуктів харчування, то до 35 року світу знадобиться від 56 до 2050% більше продуктів харчування через збільшення споживання на душу населення, зростання населення та збільшення відходів виробництва продуктів харчування, оскільки все більше людей переїжджають до міст.

У поєднанні з очікуваними втратами врожаю через екстремальні події та зміни клімату це приблизно означає необхідність майже подвоїти світове виробництво продуктів харчування до 2050 року.

Не всі погані новини

Однак зростання рівня CO2, що спричиняє зміну клімату, має позитивний ефект: воно стимулює ріст рослин. Фактично, підвищена концентрація CO2 регулярно використовується в теплицях для підвищення врожайності.

«Сучасні елітні сорти рису та сої демонструють збільшення врожайності приблизно на 30% зі збільшенням рівня CO2 до очікуваного рівня 2050-60 років».

Культури C4 — кукурудза та сорго — не демонструють збільшення врожайності, оскільки вони вже насичені CO2 на сьогоднішньому підвищеному рівні.

Це особливо стосується рослин з метаболізмом C3, до яких належать більшість нетропічних культур, і які складають значну частину основних сільськогосподарських культур світу (рослини C4 мають інший метаболізм, який концентрує CO2 у листку перед фотосинтезом, тому логічно, що рівні CO02 в навколишньому середовищі менш важливі для них).

джерело: ГфорГ

Ще одна гарна новина полягає в тому, що подвоєння врожайності не тільки можливе, але й вже зроблене, принаймні для деяких конкретних культур.

Наприклад, масштабні інвестиції сільськогосподарських корпорацій у дослідження та розробки вже подвоїли врожайність кукурудзи, тоді як інші основні культури, такі як рис, пшениця, картопля та сорго (важливі в Африці та тропічних регіонах), відстають.

джерело: Видавництво Королівського товариства

Вирішення сільськогосподарських проблем

Озон на низьких висотах

Тропосферний озон (O3) – це вторинний забруднювач, 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, зі значно вищими рівнями в основних районах виробництва сільськогосподарських культур Китаю та Індії.

«Озоновий шар вже спричиняє 5% втрат для сої та приблизно 10% для кукурудзи в США, що коштує близько 9 мільярдів доларів щорічно. Загалом це може призвести до втрати до 10% світового врожаю».

Генетична модифікація анатомії рослини, особливо продихів (плями, що пропускають повітря крізь листя), може зменшити проникнення озону та пошкодження. Зі збільшенням концентрації CO2 менш відкриті продихи не повинні суттєво впливати на ефективність фотосинтезу.

джерело: Наукові факти

Збільшення вироблення антиоксидантів у рослині також може допомогти зменшити окислення молекулами озону та покращити загальну стійкість рослин до стресу.

Посуха та водокористування

Очікується, що вища температура та екстремальніші погодні умови будуть пов'язані з більшою нестачею води.

Прогнозується, що до 2050 року глобальні втрати врожаю кукурудзи через посуху зростуть до 21.3% порівняно з попереднім середнім показником 12.0% за період 1961–2006 років, а пшениці — з 9.6% до 15.5%.

Частка регіонів, що постраждали від посухи, найбільше зросте в Африці та Океанії — з нинішніх 22% та 15% відповідно до 59% та 58% до кінця століття.

Тут також менше відкриття продихів може допомогти зменшити потребу рослин у воді та зменшити стрес під час посухи.

«Результатом стало покращення ефективності використання води на рівні листя тютюну, вирощеного в полях, на 15% та зменшення споживання води всією рослиною на 30%. Через високу швидкість, з якою його можна генетично модифікувати, тютюн часто використовується як випробувальний майданчик для вивчення змін, які можна використовувати на різних інших рослинах».

Генна інженерія, як-от впровадження Сінна паличка Введення білка холодового шоку B (cspB) у рослину може покращити стійкість до посухи, але ще не знайшло комерційного застосування.

Посилення секвестрації вуглецю

Зрештою, рослини – це машини, що перетворюють воду, CO2 та сонячне світло на органічну речовину. Збирається лише 50% біомаси сільськогосподарських культур, а решта залишається у вигляді стебел або коренів.

Якби ця органічна речовина могла залишатися в ґрунті, а не розкладатися за кілька років, це збільшило б чисте наземне поглинання вуглецю на 50%.

Глибше коріння в поєднанні з методами безоранкового землеробства може бути рішенням, оскільки кілька механізмів активуються одночасно, коли створюються сильніші кореневі системи, або за допомогою генетичних маніпуляцій, або за допомогою спеціальних програм селекції:

• Покращення якості ґрунту та його здатності утримувати воду.
• Підвищення стійкості рослини до посухи, постійно підтримуючи вищий рівень поглинання вуглецю.

Зміна складу клітинної стінки, з більшою кількістю лігніну та довгих молекул вуглецю, також може зробити отриману мертву органічну речовину набагато стійкішою до розкладання, затримуючи вуглець під землею на десятиліття, або навіть століття і довше.

Зрештою, можна було б застосувати ще більш проактивний підхід з метою безпосереднього «фермерського виробництва» та уловлювання вуглецю в промислових масштабах. Вчені визначили високопродуктивні багаторічні трави C4, такі як Міскантус × гігантський або просо просо (Panicum virgatum) та луговий корінець (Спартина гребінчаста), які можуть поглинати до 130 тонн CO2 на гектар за один рік, або навіть більше для деяких сортів.

Використовуючи BECCS (біоенергетика з уловлюванням та зберіганням вуглецю), цю біомасу можна спалювати для виробництва електроенергії, а отриманий CO2 уловлювати та переміщувати до глибоких підземних сховищ.

джерело: Пенсильванський університет

Встановлення відповідних правил

Подолання суперечностей

Проблема масового впровадження таких модифікованих культур, здатних або збільшити врожайність в умовах зміни клімату, або навіть сприяти пом'якшенню її наслідків, полягає в тому, що це безумовно вимагатиме використання ГМО-культур.

У цьому контексті небажання основних регіонів використовувати такі культури може стати великою перешкодою для будь-яких біотехнологічних рішень щодо зміни клімату та дефіциту продовольства.

Це особливо стосується ЄС, який часто повністю забороняє ГМО-культури. Але інші регіони також схильні повністю забороняти ГМО на етикетках органічних продуктів, незважаючи на суворі цілі щодо збільшення частки свого сільського господарства, що підпадає під етикетку органічних продуктів.

Отже, в чинному законодавчому контексті захист довкілля за допомогою більшої кількості органічного землеробства може означати завдання шкоди довкіллю через втрату покращення врожайності та збільшення поглинання вуглецю.

Це стало темою публікації в престижному науковому журналі Cell.² з назвою "Нові геномні методи в органічному виробництві: міркування щодо науково обґрунтованого, ефективного та прийнятного регулювання ЄС".

CRISPR та інші нові геномні методи (NGT)

Ключове питання полягає в тому, щоб розрізнити нові геномні методи (НГТ) від старіших, більш грубих методів, що раніше використовувалися для створення ГМО.

Цей набагато контрольованіший та точніший метод генної інженерії включає CRISPR-Cas9, технологію сайт-спрямованих нуклеаз (SDN), олігонуклеотидно-спрямований мутагенез (ODM) та РНК-залежне метилювання ДНК (RdDm).

На відміну від вбудовування чужорідного гена в рослину, NGT може або створити цільову мутацію, яка могла б виникнути природним шляхом, або вставити матеріал з рослини, яка могла б природним чином схреститися з цільовою культурою.

«Органічне сільське господарство може відіграти важливу роль у переході до більш стійких продовольчих систем,

Більшої уваги до ефективності та стійкості можна досягти, впроваджуючи більшу різноманітність сільськогосподарських культур, розвиток яких можуть сприяти та прискорюватися за допомогою природних газорозподільних технологій.

Тож, хоча НГТ не є повністю «природними», вони також не створюють чогось нового, що ніколи не могло б виникнути спонтанно, а натомість просто «керують рукою природи».

Прихильники цієї позиції вважають, що необхідно розуміти природу нанотрубок (НТТ) та проводити тонкі розмежування між технологіями, що розглядаються (ГМО та НТТ).

Чи можуть органічні етикетки адаптуватися до NGT (номерів, що передаються)?

Одна з головних причин, чому регуляторні органи та громадськість неохоче приймають навіть «натуральні» нанотрубки (NGT) для маркування органічних продуктів, полягає в тому, що це може здебільшого зашкодити сприйняттю цього маркування.

Натомість автори статті пропонують створити схеми з позначкою «органічне + NGT», які чітко показують, що це не лише схема «класичного органічного» землеробства, але й не звичайні ГМО.

Якщо органічне сільське господарство є пропагованим видом сільськогосподарського виробництва в ЄС, то всі форми органічного виробництва (включаючи NGT+) повинні бути прийняті під час оцінки досягнення цілей органічного виробництва в ЄС.

Це може відкрити шлях до ширшого поширення методів органічного вирощування без шкоди для врожайності. Особливо враховуючи, що етикетки з органічними продуктами охоплюють не лише сорт рослин, а й методи вирощування, такі як використання пестицидів та гербіцидів, методи оранки та посадки тощо.

Заключні думки щодо редагування генів та стійкості сільського господарства

Зміна кліматичних умов та зростання попиту на продукти харчування є одночасно і серйозним ризиком, і значною можливістю.

З одного боку, це може спричинити величезні людські страждання та екологічну шкоду. З іншого боку, це може стати імпульсом, який спонукає нас створювати кращі та більш стійкі форми сільського господарства.

Це, ймовірно, пройде повз певну модифікацію генетики наших культур, як це було з початку сільського господарства.

Нові методи геноміки тепер можуть використовувати багатство геномних даних, накопичених за останні десятиліття, для створення більш стійких та продуктивних рослин.

Тим часом наші правила та сприйняття генної інженерії також повинні еволюціонувати. Кінцева мета захисту довкілля повинна буде подолати упередження щодо ГМО, що виникли, коли генна інженерія була ще відносно примітивною.

Це не означає, що неконтрольована модифікація нашої біосфери повинна поширитися повсюдно, але більш відкритий та обережний підхід, що використовує всі доступні нові інструменти, може забезпечити найкращі можливі результати, одночасно пом'якшуючи більшість ризиків.

Новатор у галузі генної інженерії рослин

Corteva

Corteva є світовим лідером у сфері сільськогосподарських технологій, особливо хімікатів і насіння. Він також дуже активний у нових сільськогосподарських технологіях, таких як робототехніка.

З 17.2 мільярда доларів чистих продажів у 2023 році, 22,500 10,000,000+ співробітників і XNUMX XNUMX XNUMX+ клієнтів компанія є однією з найбільших у своєму секторі разом із американськими конкурентами Bayer і Syngenta.

Загалом продажі хімічних речовин (пестицидів, гербіцидів тощо) у 2024 році впали, тоді як продажі насіння зросли, і, можливо, внаслідок глибшої тенденції скорочення споживання та посилення конкуренції.

джерело: Corteva

Якщо дивитися глибше, то основний бізнес Corteva у сфері насіння — кукурудза та соя, що становить основну частину доходу компанії в цьому сегменті. Зокрема, Соя Corteva “Enlist E3”., стійкий до 3 гербіцидів (2,4-D холіну, гліфосату та глюфосинату), виріс з нижче 5% у 2019 році до >65% ринку США.

У сфері захисту рослин/хімікатів більше половини продажів припадало на гербіциди, решта в основному складається з інсектицидів і фунгіцидів.

Corteva побудувала свій поточний бізнес навколо традиційного промислового сільського господарства, яке все ще є дуже прибутковою діяльністю, яка підтримує поточний бюджет на дослідження та розробки.

Однак, як ми обговорювали тут і в попередньому «Fмайбутнє сільського господарства«статтю», відкриваються нові можливості, і Corteva лідирує в цій справі:

• Редагування генів існуючих посівів, в т.ч за допомогою технології CRISPR.
• Інноваційний центр для агротехнологічних стартапів, Каталізатор Corteva. "Платформа машинного навчання допомагає покращити сектор і визначити технології, які відповідають пріоритетам дослідження Corteva».
• Біостимулятори, засоби біоконтролю та інші продукти природного походження, такі як феромони комах з перевіреною та передбачуваною продуктивністю.
• Бактерії, що фіксують азот (BlueN™ або Utrisha™ N), щоб створити додаткове безхімічне добриво.
• Зерно, біозбагачене вітаміном А для покращення харчування в бідних країнах.
• Крокуючі роботи для просапних культур.
• Експерименти з впровадження ШІ на фермах, від збору плодів до визначення найкращих рослин для відбору ознак для виробництва насіння.
• Повний пакет програмних рішень, від даних зображень землі до програмного забезпечення для управління фермами та моніторингу та продажу вуглецевих кредитів.

Corteva також активно вивчає майбутній зростаючий попит на екологічно чисте біопаливо та спеціальні білки, ринок кожного з яких досягне 10–30 мільярдів доларів США до 2035 року.

джерело: Corteva

Тож загалом, незважаючи на те, що Corteva є гігантом «старих» промислових методів ведення сільського господарства, вона також чітко усвідомлює зміни в секторі та позиціонує себе, щоб стати такою ж великою та успішною компанією, адаптованою до сільськогосподарської практики, що швидко змінюється.

Останні новини та події щодо акцій Corteva (CTVA)

Дослідження, на які посилаються

<sup>1. Лонг Стівен П. (2025) Потреби та можливості для забезпечення майбутнього вирощування сільськогосподарських культур та використання систем вирощування сільськогосподарських культур для пом'якшення наслідків атмосферних змін. Phil. Trans. R. Soc. 29 травня 2025 р. http://doi.org/10.1098/rstb.2024.0229
2. Моліторісова, Александра та ін. (2025) Нові геномні методи в органічному виробництві: міркування щодо науково обґрунтованого, ефективного та прийнятного регулювання ЄС. Cell Reports Sustainability, 30 травня 2025 р. https://www.cell.com/cell-reports-sustainability/fulltext/S2949-7906(25)00101-6</sup>