Главная страница «Первого сентября»Главная страница журнала «Биология»Содержание №1/2005

БОТАНИКА

Подготовил
Ю.П. СУПРУНЕНКО

Плантации будущего

Салат латук пышно растет на листах пенопласта, плавающих на поверхности пруда, где выращивают сомиков. Крупные дыни канталупы свисают с решетчатой шпалеры, перекинутой через пруд. Пока растут дыни, можно будет собрать три или четыре урожая салата. Когда дыни созреют, пенопласт уже уберут из воды. Шпалеру трясут, и спелые дыни падают в пруд, откуда их легко выловить.

Неподалеку по стеблям кукурузы вьется фасоль, а в междурядьях вызревает фасоль кустовая. Чуть дальше, в междурядьях посадок нуждающегося в азоте сахарного тростника, растет голубиный горох. Он созреет как раз к тому времени, когда подросший тростник начнет затенять его...

Похоже на программу обеспечения пищей перенаселенного мира? Так оно и есть. Цель программы – получить максимум продуктов питания с имеющейся земли и из других доступных нам источников. И, возможно, это путь, по которому пойдет сельское хозяйство будущего.

Новые методы производства продуктов питания разрабатываются лабораторией по исследованию окружающей среды Аризонского университета в Тусоне. Мерл Дженсен, сотрудник лаборатории, плодоовощевод-футуролог, считает, что до сих пор сельское хозяйство придерживалось традиционных методов возделывания культур на пригодных для обработки и орошения землях, но, чтобы накормить массы людей будущего, нам придется осваивать пустыни и тропические леса и выращивать продукты питания не только на земле, но и в воздухе.

С ростом населения увеличивается потребность в продуктах питания, площадь же пригодных для обработки земель остается прежней, составляя лишь 10% общей площади суши. В настоящее время ученые США и других стран занимаются решением проблемы обеспечения продовольствием растущего населения земного шара. Исследования ведутся в трех направлениях: увеличение продуктивности существующих земель; выведение новых сортов овощей и злаков, которые могут произрастать в таких суровых условиях, как пустыня, морское побережье и даже в космических обитаемых аппаратах; выращивание богатых белками растений, которым по разным причинам до сих уделялось мало внимания.

В Университете штата Аризона специалисты по сельскому хозяйству экспериментируют в области гидропоники, или выращивания растений без почвы. Помидоры, салат и шпинат, растущие на подвесном конвейере, движутся за солнцем, их корни, цепляющиеся за вертикальные трубы, непрерывно обрызгиваются питательным аэрозолем. Под конвейером в резервуаре растет водяной гиацинт, который поглощает и фильтрует стекающий с корней питательный раствор. Из биомассы водяного гиацинта можно получить метан и использовать его как топливо для двигателей конвейера. «Мы будем исчислять урожаи из расчета не квадратного, а кубического метра», – говорят сотрудники лаборатории.

Здесь же ведутся опытные работы по выращиванию салата латука во вращающихся пластиковых барабанах, моделирующих условия космических кораблей. Сейчас пища космонавтов стоит приблизительно 200 долларов за килограмм. Поэтому Лаборатория занята еще и разработкой методов, с помощью которых космические колонисты смогут сами выращивать себе продукты питания. Растения нуждаются в силе притяжения для ориентации корней и побегов, но эффект гравитации может быть достигнут в космосе посредством вращающегося барабана – при вращении создается эффект гравитации. Листья растения тянутся к искусственному источнику света, расположенному в центре барабана, а корни прорастают через отверстия в стенке наружу, где также опрыскиваются питательным аэрозолем.

Ученые выводят новые устойчивые сорта овощей, способные выносить условия, в которых обычно погибают другие растения. В аризонской пустыне, в оранжереях, с контролируемыми условиями плодоовощная фирма выращивает помидоры и огурцы непосредственно в песке. Такие приспосабливающиеся к условиям окружающей среды растения позволят превратить пустынные и засушливые районы мира в огороды и плантации, дающие богатые урожаи.

Лаборатория работает над выращиванием в жарких климатических условиях таких плохо переносящих жару растений, как, например, салат, путем охлаждения питательной жидкости вокруг их корней, а не всей теплицы.

Ученые работают также над методами орошения морской водой, насыщенной азотом, солестойких растений (галофитов) и растения могут стать богатой белками кормовой и пищевой культурой.

Тусонская лаборатория, получившая всемирное признание за свои выдающиеся исследования в области сельского хозяйства, сосредоточила усилия и на выведении малоизвестных сейчас растений, которые в будущем могут стать ведущими сельскохозяйственными культурами. Рядом с финиковыми пальмами будут расти такие засухоустойчивые растения, как бизонья тыква, чьи семена богаты маслом и белками, а корни – крахмалом, или остролистная фасоль, которой аризонские индейцы племени папаго питались сотни лет. Так называемая крылатая фасоль, уроженка Юго-Восточной Азии, не такая уже новинка, но до недавнего времени мало кто думал, что она станет ценным продуктом питания. По словам агрономов, крылатая фасоль обладает многими замечательными качествами: она неприхотлива, может расти в любом тропическом климате, съедобна от стручка до корня и богата белком, витамином А и железом. В отваренном виде эта фасоль по виду и по вкусу напоминает картофель, грибы и даже орехи, в зависимости от того, какая часть растения подана к столу. Из бобов крылатой фасоли можно получить муку и сырковую массу, а непригодные в пищу стебли могут служить кормом для скота. Этот выносливый, богатый белками вид фасоли будет расти рядом с такими распространенными в тропиках растениями, как какао, ямс, банан и его разновидность пизанг, или овощной банан.

Многие годы осенний пейзаж плодородной долины реки Ред-Ривер, тянущейся вдоль границы Северной Дакоты и Миннесоты, оставался неизменным: море пшеницы до самого горизонта, ровная линия которого только изредка прерывалась одинокими силуэтами элеваторов. Сейчас янтарные волны пшеницы перемежаются с широкими темно-бурыми полосами, а на горизонте виднеются башни маслобойных заводов. Эти перемены связаны с появлением новой для этих краев доходной сельскохозяйственной культуры – подсолнечника, который также становится важным предметом экспорта.

Расширению рынка помогло то, что люди стали больше заботиться о своем здоровье. Подсолнечное масло стоит на 10–15% дороже, чем кукурузное или соевое, но зато в нем меньше холестерина и оно содержит 70% полиненасыщенных жирных кислот (в кукурузном масле их только 55%). Подсолнечник морозоустойчив, имеет короткий период созревания и меньше страдает от засухи, чем пшеница. Но у него есть и недостатки: его очень любят насекомые и сорняки. Агрономы боятся, что повторные посевы подсолнечника на том же участке земли приведут к такому заражению местности насекомыми и возбудителями заболеваний, что на ней нельзя будет сеять другие культуры.

Но эти рассуждения не снижают энтузиазма американских фермеров, и этому можно найти историческое объяснение. В западном полушарии подсолнечник всегда имел особое значение. Испанский конкистадор Франсиско Писарро, завоевавший Перу в 1432 г., рассказывал, что жрицы инков носили на груди эмблему подсолнечника, символизирующего бога солнца. И эта эмблема была из чистого золота.

Когда в 60-х гг. XX в. биоинженеры и селекционеры творили «зеленую революцию», выводя высокоурожайные copтa пшеницы, риса и других зерновых культур, наблюдатели не без оснований приветствовали их достижения как гигантский шаг к удовлетворению – пусть временному – продовольственных нужд все быстрее растущего населения мира.

Похвалы в адрес науки были, конечно, заслуженными. Ученые-селекционеры долго и упорно работали в теплицах и на полях, и выведенные ими новые сорта пшеницы и риса дали рекордные урожаи. Но эти удивительные сорта обходятся недешево: чтобы в полной мере использовать преимущества высокоурожайных линий, развивающиеся страны должны были прибегнуть к энергоемким методам возделывания, то есть к применению удобрений, пестицидов и гербицидов. Но эти химические вещества стоят дорого, и их производство требует большого количества нефти, мировые запасы которой ограниченны.

Марри У. Нэйборс, профессор ботаники и патологии растений Колорадского университета, считает, что нужно снижать себестоимость производства сельскохозяйственной продукции, не ставя при этом под угрозу получение высоких урожаев.

«Мы придерживаемся точки зрения, что дешевле, экономичнее и в конечном счете разумнее модифицировать растения, приспосабливая их к окружающей среде, чем модифицировать окружающую среду с целью приспособить ее к растениям», – говорит Нэйборс. Им разработана система выведения сортов растений с повышенной устойчивостью к условиям окружающей среды, требующая значительно меньших затрат времени и средств, чем обычные методы селекционной работы. Выведение нового сорта пшеницы в полевых условиях обычно занимает пять–десять лет. Применение метода культуры ткани сокращает этот срок на два–три года.

Прежде всего специалисты берут крошечный кусочек растения, например табака. «Это может быть кусочек листа, стебля, корня, семени – любой части растения, – говорит Нэйборс. – Потом мы стерилизуем его, чтобы убить бактерии и грибки. Затем этот кусочек растения помещают в небольшую пробирку с плотной желатинообразной средой, содержащей удобрение, витамины и гормоны, что позволяет регулировать развитие клеток. Клетки начинают размножаться, формируя массу, называемую каллюсом. Такое размножение клеток от одного общего предка называется клонированием. В объеме каллюса размером с половинку большого пальца руки может содержаться до 200 тыс. клеток.

Далее каллюсы помещают в сосуды, объемом 0,25 л, которые ставят на круговой вибростенд; его непрерывное вращение и вибрация разделяют клетки. Так мы можем получить в одном сосуде сто граммов суспензии, содержащей 100 млн клеток».

Хотя клонирование дает неисчислимое множество клеток, идентичных оригиналу, среди них иногда оказываются и мутантные клетки, отличающиеся по тем или иным свойствам. Например, выносливые к более высоким уровням соли в среде.

«По нашим подсчетам, – говорит Нэйборс, – мутация на солеустойчивость происходит примерно в одной из миллиона клеток». Чтобы обнаружить их, Нэйборс вводит в сосуд достаточно соли, чтобы убить остальные клетки. «Если появляется солеустойчивая клетка-мутант, то она начнет развиваться и делиться, тогда как деление других клеток будет подавлено, – говорит он. – Таким образом, через некоторое время культура будет состоять только из мутантных клеток, поскольку лишь они развиваются и делятся. На этом этапе мы можем увеличить концентрацию соли и повторить процесс. И так до тех пор, пока мы не получим клетку, устойчивую к намеченному нами уровню солености. За это время нам удалось получить клетки, которые в 13 раз солеустойчивее нормальных. Если соленость в 10 раз выше нормальной, то это соответствует концентрации соли в морской воде».

Поместив отобранные клетки в пробирки, исследователи добавляют в среду гормоны, которые стимулируют развитие, приводящее уже к образованию растений. Чтобы вырастить из клеток маленькие растеньица, требуется от 4 до 6 недель.

Затем растения пересаживают из пробирок в горшки. Этот процесс требует немалого искусства, потому что из стерильных условий организму предстоит перейти в реальный мир. На этой стадии погибает около 50% растений.

Растения, процветающие в горшках на лабораторных полках, переводят в более суровые условия теплицы, где за ними продолжают пристально наблюдать. Когда результаты, полученные в теплице, удовлетворяют ученых, растения готовы к последнему экзамену – полевым испытаниям.

Этот метод позволяет селекционировать и воспроизводить растения табака, способные выживать в условиях засоленной среды. Такой же подход может быть использован для выделения, например, засухоустойчивых клеток или клеток, которые более эффективно используют азотистые удобрения. Конечный результат приведет к созданию сортов растений, способных произрастать при меньших затратах энергии, связанных с культивированием.

«Заглядывая в будущее, – говорит Нэйборс, – можно представить себе лаборатории тканевой культуры, удовлетворяющие нужды земледельцев в различных частях мира. Скажем, в Индии задумают выращивать кукурузу в новых районах с известным уровнем обеспеченности водой, известными пределами колебаний температуры и т.д. Для этого земледелец пошлет в лабораторию образец растения или его семена, и лаборатория за стандартную плату выведет ряд сортов кукурузы, приспособленной к условиям окружающей среды именно в данном районе».

 

Рейтинг@Mail.ru