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.