Dlaczego będziemy potrzebować genetycznie modyfikowanej żywności

Oznaki zarazy pojawiają się nagle, ale przewidywalnie w Irlandii, gdy tylko letnia pogoda zmieni się w wilgotną, zarodniki grzybopodobnego patogenu roślin unoszą się na otwartych zielonych polach i lądują na mokrych liściach ziemniaków. W tym roku deszcz zaczął padać na początku sierpnia. W ciągu kilku tygodni zaraza ziemniaczana zaatakowała małą działkę ziemniaków w rogu schludnej siatki testowych nasadzeń w siedzibie Teagasc, irlandzkiej agencji rolnej w Carlow.

Minął już ponad miesiąc od pierwszego uderzenia w ziemniaki i jeszcze kilka tygodni przed zbiorem. Duży wiejski dom, w którym mieści się działalność Teagasc, wychodzi na próby terenowe, a dobrze ubrani irlandzcy i unijni biurokraci wpadają i wychodzą. Duża część tego rozległego budynku została zbudowana w XIX wieku, podczas najgorszego głodu, który wybuchł, gdy zaraza zniszczyła zbiory ziemniaków w Irlandii. Takie klęski głodu należą już do przeszłości, ale choroba roślin pozostaje kosztowną udręką dla rolników w kraju, zmuszając ich do częstego oblewania upraw fungicydami. W ramach ogólnounijnego projektu o nazwie Amiga, mającego na celu zbadanie wpływu roślin modyfikowanych genetycznie (GM), badacz z Teagasc, Ewen Mullins, testuje ziemniaki, które są zaprojektowane tak, aby były odporne na zarazę. (Obejrzyj film o Mullins i ziemniakach GM w Irlandii na dole tej strony lub tutaj.)

Ta historia była częścią naszego wydania ze stycznia 2014

• Zobacz resztę numeru
• Subskrybuj

Jest przewiewny i chociaż lato się skończyło, wciąż jest ciepło i wilgotno. Idealna pogoda na zarazę, mówi Mullins. Pochylając się nad konwencjonalnie hodowanymi roślinami, mocno odciąga zwiędłe łodygi i liście, aby pokazać, że bulwy, na wpół odsłonięte w ziemi, są pokryte czarnymi plamami. Następnie zrywa zielony liść jednej z genetycznie zmodyfikowanych roślin, które zostały zmodyfikowane genem odpornym na zarazę dzikiego ziemniaka rosnącego w Ameryce Południowej. Systemy obronne rośliny ziemniaka zwalczyły zarodniki, czyniąc je nieszkodliwymi. Zakład, mówi po prostu Mullins, osiągnął dobre wyniki.

To już drugi rok planowanych trzyletnich prób terenowych. Ale nawet jeśli wyniki z przyszłego roku są równie zachęcające, Teagasc nie ma zamiaru dawać rolnikom dostępu do rośliny, która została opracowana przez naukowców z Uniwersytetu Wageningen w Holandii. Takie genetycznie modyfikowane rośliny pozostają kontrowersyjne w Europie, a tylko dwa są dopuszczone do sadzenia w UE. Chociaż Mullins i jego koledzy chcą się dowiedzieć, jak zaraza wpływa na ziemniaki GM i czy rośliny wpłyną na drobnoustroje glebowe, dystrybucja zmodyfikowanej rośliny w Irlandii, przynajmniej na razie, nie jest możliwa.

Niemniej jednak pola Carlow przedstawiają kuszący obraz tego, jak genetycznie zmodyfikowane uprawy mogą pomóc chronić światowe zasoby żywności. Odporne na zarazę ziemniaki byłyby jedną z pierwszych głównych żywności genetycznie zmodyfikowanych tak, aby zawierały mechanizmy obronne przeciwko chorobom roślin, które co roku niszczą około 15 procent światowych zbiorów rolnych. Pomimo intensywnego stosowania fungicydów, zaraza późna i inne choroby roślin niszczą, jak się szacuje, jedną piątą światowych ziemniaków, żywności coraz częściej uprawianej w Chinach i Indiach. Rdza łodygowa, grzybicza choroba pszenicy, rozprzestrzeniła się na większą część Afryki i Półwyspu Arabskiego i zagraża teraz rozległym regionom upraw w środkowej i południowej Azji, które produkują około 20 procent światowej pszenicy. Banany, które są głównym źródłem pożywienia w krajach takich jak Uganda, są często niszczone przez chorobę więdnięcia. We wszystkich tych przypadkach inżynieria genetyczna ma potencjał do tworzenia odmian, które są znacznie lepiej odporne na atak.

Ziemniaki GM mogą również prowadzić do nowej generacji żywności biotechnologicznej sprzedawanej bezpośrednio konsumentom. Chociaż transgeniczna kukurydza, soja i bawełna — w większości zaprojektowane tak, aby były odporne na owady i herbicydy — były powszechnie uprawiane od późnych lat 90. w Stanach Zjednoczonych i w kilku innych dużych krajach rolniczych, w tym w Brazylii i Kanadzie, uprawy kukurydzy i soi znikają głównie na pasze dla zwierząt, biopaliwa i oleje spożywcze. Żadna genetycznie modyfikowana odmiana ryżu, pszenicy czy ziemniaków nie jest powszechnie uprawiana, ponieważ sprzeciw wobec takiej żywności zniechęcił do inwestowania w ich rozwój, a firmy nasienne nie znalazły sposobów na zarabianie na tych uprawach na genetycznie modyfikowanych kukurydza i soja.

Susza, niszczycielskie burze i bardzo gorące dni już teraz odbijają się na plonach.

Ponieważ globalna populacja ma osiągnąć ponad dziewięć miliardów do 2050 roku, świat może wkrótce być głodny takich odmian. Chociaż wydajność rolnictwa uległa dramatycznej poprawie w ciągu ostatnich 50 lat, ekonomiści obawiają się, że poprawa ta zaczęła słabnąć w czasie, gdy oczekuje się, że popyt na żywność, napędzany przez większą liczbę ludzi i rosnący apetyt bogatszych populacji, wzrośnie między 70 a 100 procent do połowy stulecia. W szczególności gwałtowne wzrosty plonów ryżu i pszenicy, które przez dziesięciolecia pomagały wyżywić świat, wykazują oznaki spowolnienia, a produkcja zbóż będzie musiała do 2050 r. nadążyć ponad dwukrotnie. Jeśli trend się utrzyma, produkcja może być niewystarczająca do zaspokojenia popytu, chyba że zaczniemy używać znacznie więcej ziemi, nawozów i wody.

Zmiana klimatu prawdopodobnie znacznie pogorszy problem, powodując wyższe temperatury i, w wielu regionach, bardziej wilgotne warunki, które rozprzestrzeniają plagę chorób i owadów na nowe obszary. Susza, niszczycielskie burze i bardzo gorące dni już teraz odbijają się na plonach, a częstotliwość tych zdarzeń ma gwałtownie wzrosnąć wraz z ociepleniem klimatu. Dla rolników skutki zmian klimatycznych można po prostu określić: pogoda stała się znacznie bardziej nieprzewidywalna, a ekstremalne warunki pogodowe stały się znacznie bardziej powszechne.

Na przykład środkowe wyżyny Meksyku przeżyły rekordowo najsuchsze i najbardziej mokre lata w latach 2011 i 2012, mówi Matthew Reynolds, fizjolog pszenicy w Międzynarodowym Centrum Ulepszania Kukurydzy i Pszenicy w El Batán. Taka zmienność jest niepokojąca i bardzo niekorzystna dla rolnictwa – mówi. Hodowanie go jest niezwykle trudne. Jeśli masz względnie stabilny klimat, możesz hodować rośliny o cechach genetycznych, które mają określony profil temperatur i opadów. Gdy tylko wejdziesz w stan zmiany, znacznie trudniej jest określić, jakie cechy należy kierować.

Jedną z zalet wykorzystania inżynierii genetycznej do pomocy uprawom w przystosowaniu się do tych nagłych zmian jest możliwość szybkiego tworzenia nowych odmian. Na przykład stworzenie odmiany ziemniaka poprzez hodowlę konwencjonalną zajmuje co najmniej 15 lat; wyprodukowanie genetycznie zmodyfikowanej zajmuje mniej niż sześć miesięcy. Modyfikacja genetyczna pozwala również hodowcom roślin na dokonywanie bardziej precyzyjnych zmian i czerpanie z dużo większej różnorodności genów zebranych od dzikich krewnych roślin lub z różnych typów organizmów. Naukowcy zajmujący się roślinami zwracają uwagę, że żaden magiczny gen nie może zostać wprowadzony do rośliny uprawnej, aby uczynić ją tolerancyjną na suszę lub zwiększyć jej plony — nawet odporność na chorobę zazwyczaj wymaga wielu zmian genetycznych. Jednak wielu z nich twierdzi, że inżynieria genetyczna jest techniką wszechstronną i niezbędną.

To niezwykle logiczne, mówi Jonathan Jones, naukowiec z Sainsbury Laboratory w Wielkiej Brytanii i jeden z wiodących światowych ekspertów w dziedzinie chorób roślin. Mówi, że nadchodząca presja na produkcję rolną jest realna i dotknie miliony ludzi w biednych krajach. Dodaje, że odrzucenie modyfikacji genetycznej jako narzędzia byłoby przewrotnością.

Jest to pogląd, który jest szeroko podzielany przez osoby odpowiedzialne za rozwój odmian uprawnych przyszłości. Na obecnym poziomie produkcji rolnej wystarczy żywności, by wyżywić świat, mówi Eduardo Blumwald, naukowiec zajmujący się roślinami z University of California w Davis. Ale kiedy populacja osiągnie dziewięć miliardów? on mówi. Nie ma mowy Jose.

Nieudane obietnice

Obietnica, że ​​genetycznie modyfikowane rośliny mogą pomóc wyżywić świat, jest co najmniej tak stara, jak komercjalizacja pierwszych nasion transgenicznych w połowie lat 90. XX wieku. Korporacje, które pomogły przekształcić genetycznie zmodyfikowane uprawy w wielomiliardowy biznes, w tym duże firmy chemiczne Monsanto, Bayer i DuPont, promowały tę technologię jako część rewolucji w naukach przyrodniczych, która znacznie zwiększyła produkcję żywności. Jak dotąd okazało się, że z wielu powodów była to nieco pusta obietnica.

Oczywiście, uprawy bioinżynieryjne są w niektórych krajach ogromnym sukcesem komercyjnym. Pomysł jest prosty, ale przekonujący: wstawiając obcy gen pochodzący z, powiedzmy, bakterii do kukurydzy, możesz nadać roślinie cechę, której inaczej by nie posiadała. Ankiety szacują, że na całym świecie uprawia się ponad 170 milionów hektarów takich transgenicznych upraw. W Stanach Zjednoczonych większość uprawianej kukurydzy, soi i bawełny zostało zmodyfikowanych za pomocą genu bakterii glebowej Bacillus thuringensis —Bt — do odstraszania owadów lub z innym genem bakteryjnym, aby wytrzymać herbicydy. Na całym świecie 81 procent soi i 35 procent uprawianej kukurydzy to odmiany biotechnologiczne. W Indiach bawełna Bt została zatwierdzona ponad dekadę temu i obecnie stanowi 96 procent bawełny uprawianej w kraju.

Nie jest jednak jasne, czy ten boom na uprawy transgeniczne doprowadził do zwiększonej produkcji żywności, czy niższych cen dla konsumentów. Weźmy na przykład kukurydzę. W Stanach Zjednoczonych 76 procent upraw jest genetycznie zmodyfikowanych, aby były odporne na owady, a 85 procent może tolerować opryskiwanie środkiem chwastobójczym. Taka kukurydza prawdopodobnie była dobrodziejstwem dla rolników, zmniejszając zużycie pestycydów i zwiększając plony. Jednak niewiele z produkcji kukurydzy w USA jest wykorzystywane bezpośrednio do produkcji żywności; około 4% trafia na syrop kukurydziany o wysokiej zawartości fruktozy, a 1,8% na płatki zbożowe i inne produkty spożywcze. Genetycznie modyfikowana kukurydza i soja są tak dochodowe, że amerykańscy rolnicy zaczęli zastępować je pszenicą: w 2012 r. zasadzono około 56 mln akrów pszenicy, w porównaniu z 62 mln w 2000 r. Wraz ze spadkiem podaży cena buszla pszenicy wzrosła do prawie 8 USD w 2012 roku, z 2,50 USD w 2000 roku.

Jak dotąd krótka lista roślin transgenicznych wykorzystywanych bezpośrednio do produkcji żywności obejmuje odporną na wirusy papaję uprawianą na Hawajach, słodką kukurydzę Bt, niedawno skomercjalizowaną w Stanach Zjednoczonych przez Monsanto oraz kilka odmian dyni, które są odporne na wirusy roślinne. Ta lista może jednak wkrótce się rozrosnąć. Indonezyjska agencja rolna spodziewa się wkrótce zatwierdzić ziemniaka odpornego na zarazę, a JR Simplot, dostawca rolny z Boise w stanie Idaho, ma nadzieję skomercjalizować własną wersję do 2017 roku. kupił firmę produkującą nasiona pszenicy w 2009 roku i teraz próbuje ponownie. Naukowcy z Cornell współpracują ze współpracownikami w Indiach, Bangladeszu i na Filipinach, krajach, w których bakłażan jest podstawowym produktem, aby udostępnić rolnikom odmianę warzyw odporną na owady.

Tylko garstka dużych firm może sobie pozwolić na ryzyko i wydatki związane z komercjalizacją GMO.

Te bioinżynieryjne wersje niektórych najważniejszych roślin spożywczych na świecie mogą pomóc spełnić początkowe nadzieje na organizmy modyfikowane genetycznie lub GMO. Ale prawie na pewno zaostrzą również debatę na temat technologii. Przeciwnicy obawiają się, że wprowadzenie obcych genów do upraw może sprawić, że żywność będzie niebezpieczna lub alergizująca, chociaż ponad 15-letnie doświadczenie z uprawami transgenicznymi nie ujawniło żadnych zagrożeń dla zdrowia, podobnie jak szereg badań naukowych. Bardziej wiarygodnie, krytycy sugerują, że technologia jest sztuczką wielkich korporacji, zwłaszcza Monsanto, mającą na celu sprzedaż większej ilości herbicydów, zdominowanie rolniczego łańcucha dostaw i uzależnienie rolników od drogich nasion transgenicznych. Jednak najbardziej przekonującą krytyką może być po prostu to, że istniejące rośliny transgeniczne niewiele zrobiły, aby zagwarantować przyszłość światowych dostaw żywności w obliczu zmian klimatycznych i rosnącej populacji.

Pierwsza generacja roślin odpornych na owady i herbicydy oferuje kilka nowych cech, takich jak tolerancja na suszę i odporność na choroby, które mogą pomóc roślinom przystosować się do zmian w pogodzie i chorobach, przyznaje Margaret Smith, profesor hodowli roślin i genetyki. na Uniwersytecie Cornella. Niemniej jednak twierdzi, że nie ma uzasadnionego powodu, aby odrzucać tę technologię, ponieważ naukowcy zajmujący się roślinami ścigają się, aby zwiększyć wydajność upraw. Smith mówi, że naukowcy stoją przed trudnym wyzwaniem hodowlanym. Będziemy potrzebować drugiej generacji roślin transgenicznych. Błędem byłoby wykluczenie tego narzędzia, ponieważ pierwsze produkty nie rozwiązywały dużych problemów.

Uprawa roślin, które lepiej znoszą zmiany klimatyczne, nie będzie łatwa. Będzie to wymagało od naukowców zajmujących się roślinami zaprojektowania złożonych cech obejmujących wiele genów. Trwała odporność na choroby zazwyczaj wymaga szeregu zmian genetycznych i szczegółowej wiedzy o tym, jak patogeny atakują roślinę. Cechy takie jak tolerancja na suszę i upały są jeszcze trudniejsze, ponieważ mogą wymagać podstawowych zmian w fizjologii rośliny.

Czy inżynieria genetyczna stanie na wysokości zadania? Nikt nie wie. Ale ostatnie przełomy w genomice są zachęcające. Naukowcy zsekwencjonowali genomy upraw, takich jak ryż, ziemniaki, banany i pszenica. Jednocześnie postęp w biologii molekularnej oznacza, że ​​geny można usuwać, modyfikować i wstawiać z dużo większą precyzją. W szczególności nowe narzędzia inżynierii genomu, znane jako Talens i Crispr, pozwalają genetykom edytować DNA roślin, zmieniając chromosomy dokładnie tam, gdzie chcą.

Dokładne edycje

Warsztat przylegający do rzędów szklarni na skraju kampusu Cornella w Ithace w stanie Nowy Jork pachnie stęchlizną i wilgotną od skrzynek z ziemniakami. To niecała mila od uniwersyteckich laboratoriów biologii molekularnej, ale to, co widzisz, to drewniane przenośniki taśmowe, sita druciane i węże wodne. Walter De Jong sortuje i sortuje zebrane ziemniaki w ramach wieloletnich starań, aby stworzyć jeszcze lepszą odmianę dla hodowców z regionu. Pudełka są wypełnione ziemniakami – niektóre małe i okrągłe, inne duże i zniekształcone. Zapytany, jakie cechy są ważne dla konsumentów, uśmiecha się chytrze i mówi: Wygląda, wygląda, wygląda.

Na pytanie, co myśli o wysiłkach na rzecz rozwoju transgenicznych ziemniaków, nie da się tak łatwo odpowiedzieć. Nie chodzi o to, że De Jong sprzeciwia się inżynierii genetycznej. Jako hodowca ziemniaków jest dobrze zorientowany w konwencjonalnych metodach wprowadzania nowych cech, ale ma też doktorat z patologii roślin i przeprowadził wiele badań z biologii molekularnej; zna możliwości, jakie otwiera zaawansowana genetyka. W północno-wschodnich Stanach Zjednoczonych różnorodność ziemniaków jest zoptymalizowana pod kątem około 500 mil, biorąc pod uwagę długość sezonu wegetacyjnego i rodzaj pogody na danym obszarze. Zmiana klimatu oznacza, że ​​te strefy uprawne się przesuwają, co sprawia, że ​​rozmnażanie roślin przypomina rozwiązywanie zagadek, w których poruszają się elementy. Pomogłaby szybkość oferowana przez modyfikację genetyczną. Ale, de Jong mówi lekceważąco, nie oczekuję, że użyję [transgenicznej] technologii. Nie stać mnie na to.

Uprawa ziemniaków GM w Teagasc zaczyna się od sadzonek GM wyhodowanych w kulturze tkankowej (1); jest przenoszony do szklarni (2) i ostatecznie do prób terenowych (3). Zebrane bulwy wyglądają na zdrowe i wolne od zarazy (4).

To ciekawa sytuacja, mówi. Naukowcy z publicznych i akademickich instytucji badawczych wykonali wiele pracy, aby zidentyfikować geny i zrozumieć, w jaki sposób mogą one wpływać na cechy roślin. Jednak długie testy i procesy regulacyjne dotyczące upraw genetycznie zmodyfikowanych oraz niebezpieczeństwo, że konsumenci je odrzucą, oznaczają, że tylko garstka dużych firm może sobie pozwolić na wydatki i ryzyko związane z ich rozwojem.

Ale De Jong nagle ożywia się, gdy zostaje zapytany o najnowsze narzędzia do inżynierii genomu. Na to czekałem przez całą moją karierę – mówi, unosząc ręce do góry. Odkąd jestem naukowcem zajmującym się ziemniakiem, chciałem dwóch rzeczy: zsekwencjonowanego genomu ziemniaka i możliwości dowolnej modyfikacji genomu. W całym kampusie De Jong prowadzi również laboratorium biologii molekularnej, w którym zidentyfikował sekwencję DNA odpowiedzialną za czerwony pigment w bulwach ziemniaka. Wkrótce może być możliwa precyzyjna zmiana tej sekwencji w komórce ziemniaka, z której można następnie wyhodować roślinę: gdybym miał białego ziemniaka, który chciałem zmienić na czerwony, mógłbym po prostu edytować jeden lub dwa nukleotydy i uzyskać żądany kolor . Hodowla roślin nie jest sztuką tasowania genów, wyjaśnia De Jong. Zasadniczo wszystkie ziemniaki mają te same geny; mają różne wersje genów – alleli. Allele różnią się od siebie kilkoma nukleotydami. Jeśli mogę edytować kilka nukleotydów, po co hodować [cechę]? Od dawna jest świętym Graalem w genetyce roślin.

Jednym z problemów związanych z konwencjonalnymi technikami inżynierii genetycznej jest nieprzewidywalne dodawanie genów. Pożądany gen wprowadza się do docelowej komórki na płytce Petriego za pomocą bakterii roślinnej lub pistoletu genowego, który fizycznie strzela do maleńkiej cząstki pokrytej DNA. Gdy cząsteczki znajdą się w komórce, nowy gen jest losowo wstawiany do chromosomu. (Stransformowana komórka jest hodowana w kulturze tkankowej, aby stać się sadzonką i ostatecznie rośliną.) Nie można kontrolować tylko tego, gdzie gen jest dodawany; czasami kończy się w miejscu, w którym można go skutecznie wyrazić, a czasami nie. Co by było, gdybyś mógł precyzyjnie celować w miejsca na chromosomie rośliny i dodawać nowe geny dokładnie tam, gdzie chcesz, usuwać istniejące lub modyfikować geny poprzez zamianę kilku określonych nukleotydów? Nowe narzędzia pozwalają naukowcom właśnie to zrobić.

Talens, jedno z najbardziej obiecujących narzędzi inżynierii genomu, zostało zainspirowane mechanizmem wykorzystywanym przez bakterię infekującą rośliny. Patolodzy roślin zidentyfikowali białka, które umożliwiają bakteriom zlokalizowanie docelowego DNA rośliny i znaleźli sposoby na zaprojektowanie tych białek w celu rozpoznania dowolnej pożądanej sekwencji; następnie połączyli te białka z nukleazami, które przecinają DNA, tworząc precyzyjne narzędzie do edycji. Do wprowadzenia narzędzia do komórki roślinnej używa się bakterii roślinnej lub pistoletu genowego; w środku białka nakierowują się na określoną sekwencję DNA. Białka dostarczają nukleazy do dokładnego miejsca na chromosomie, gdzie przecinają DNA rośliny. Naprawa uszkodzonego chromosomu umożliwia wstawienie nowych genów lub dokonanie innego rodzaju modyfikacji. Crispr, jeszcze nowsza wersja technologii, wykorzystuje RNA do skupienia się na docelowych genach. Zarówno w przypadku Talens, jak i Crispr biolodzy molekularni mogą modyfikować nawet kilka nukleotydów lub wstawiać i usuwać gen na chromosomie dokładnie tam, gdzie chcą, dzięki czemu zmiana jest znacznie bardziej przewidywalna i skuteczna.

Jedną z implikacji nowych narzędzi jest to, że rośliny mogą być modyfikowane genetycznie bez dodawania obcych genów. Chociaż jest zbyt wcześnie, aby stwierdzić, czy zmieni to publiczną debatę na temat GMO, agencje regulacyjne – przynajmniej w Stanach Zjednoczonych – wskazują, że uprawy zmodyfikowane bez obcych genów nie będą musiały być tak dokładnie analizowane, jak uprawy transgeniczne. Może to znacznie skrócić czas i koszty potrzebne do komercjalizacji nowych odmian genetycznie modyfikowanej żywności. Możliwe, że krytycy biotechnologii mogliby dokonać podobnego rozróżnienia, tolerując genetycznie zmodyfikowane rośliny uprawne, o ile nie są one transgeniczne.

Dan Voytas, dyrektor centrum inżynierii genomu na Uniwersytecie Minnesota i jeden z wynalazców Talensa, mówi, że jedną z jego głównych motywacji jest potrzeba nakarmienia kolejnych dwóch miliardów ludzi do połowy wieku. W jednym z jego najbardziej ambitnych wysiłków, skoncentrowanym w Międzynarodowym Instytucie Badań nad Ryżem w Los Baños na Filipinach, współpracuje z ogólnoświatową siecią badaczy, aby przepisać fizjologię ryżu. Ryż i pszenica, podobnie jak inne ziarna, mają to, co botanicy nazywają fotosyntezą C3, a nie bardziej złożoną wersję C4, jaką ma kukurydza i trzcina cukrowa. Wersja C4 fotosyntezy znacznie wydajniej wykorzystuje wodę i dwutlenek węgla. Jeśli projekt się powiedzie, plony ryżu i pszenicy mogą wzrosnąć w regionach, które stają się coraz gorętsze i bardziej suche w wyniku zmiany klimatu.

Przepisanie podstawowych zasad działania zakładu nie jest trywialnym zadaniem. Ale Voytas mówi, że Talens może być cennym narzędziem — zarówno do identyfikacji ścieżek genetycznych, które można poprawić, jak i do wprowadzenia wielu niezbędnych zmian genetycznych.

Voytas mówi, że nacisk na pomoc w wykarmieniu rosnącej populacji w czasie, gdy zmiany klimatyczne powodują, że coraz więcej gruntów rolnych staje się marginalny, jest ciężarem, który ponoszą biolodzy roślin. Ale jest optymistą. Wskazuje, że przez większość ostatnich 50 lat wydajność upraw wielokrotnie rosła, co można przypisać najpierw użyciu nasion hybrydowych, a następnie nowym odmianom roślin wprowadzonym podczas tak zwanej Zielonej Rewolucji, a nawet pierwszym roślinom GM. . Jego zdaniem wprowadzenie nowych narzędzi inżynierii genomu będzie kolejnym punktem przegięcia.

Jeśli ma rację, może być w samą porę.

Fala upałów

Dla agronomów, hodowców roślin i rolników wszystko sprowadza się do plonów – ilości, jaką plon produkuje z hektara. Niezwykły wzrost plonów, począwszy od połowy XX wieku, jest głównym powodem, dla którego mamy wystarczającą ilość żywności, aby wyżywić trzy miliardy ludzi w 1960 r. do wykarmienia siedmiu miliardów w 2011 r., przy niewielkim tylko wzroście powierzchni pod uprawę. . Być może najbardziej znanym jest to, że Zielona Rewolucja, której przewodzi urodzony w Iowa patolog i genetyk Norman Borlaug, znacznie zwiększyła plony pszenicy, kukurydzy i ryżu w wielu częściach świata. Uczynił to, po części, wprowadzając bardziej wydajne odmiany upraw, zaczynając od Meksyku, a następnie w Pakistanie, Indiach i innych krajach. Ale przynajmniej przez ostatnią dekadę wzrost plonów pszenicy i ryżu wydawał się spowolnić. Na przykład plony pszenicy rosną w tempie około 1 procenta rocznie; muszą wzrastać o prawie 2 procent rocznie, aby w dłuższej perspektywie nadążać za zapotrzebowaniem na żywność. Eksperci ds. rolnictwa ostrzegają, że plony będą musiały wzrosnąć również w przypadku innych upraw, jeśli mamy wyżywić szybko rosnącą populację – a jednak rosnące temperatury i inne skutki globalnej zmiany klimatu utrudnią to osiągnięcie.

David Lobell, profesor nauk o systemach środowiskowych Ziemi na Uniwersytecie Stanforda, ma spokojną postawę, która przeczy jego ponurej wiadomości o tym, jak globalne ocieplenie już wpływa na uprawy. Skutki zmian klimatycznych dla rolnictwa były szeroko dyskutowane, ale ostatnio Lobell i jego współpracownicy wyjaśnili prognozy, przeglądając historyczne zapisy dotyczące pogody i produkcji rolnej. Odkryli, że w latach 1980-2008 zmiany klimatyczne obniżyły plony pszenicy i kukurydzy; plony nadal rosły w tym czasie, ale ogólna produkcja była o 2 do 3 procent mniejsza niż byłaby, gdyby nie globalne ocieplenie. Dotyczy to większości regionów, w których uprawia się kukurydzę i pszenicę.

Odkrycie jest zaskakujące, ponieważ sugeruje, że globalne ocieplenie już wywarło znaczący wpływ na produkcję żywności i przyniesie jeszcze większą różnicę w miarę nasilania się zmian klimatycznych. Wszystko, co powoduje wyrównanie plonów, jest problemem, mówi Lobell. I chociaż ogólne plony pszenicy i kukurydzy wciąż rosną, mówi, zmiany klimatyczne stają się problemem na długo przed pojawieniem się negatywnych trendów w plonach.

Co jeszcze bardziej niepokojące, Lobell i jego współpracownik Wolfram Schlenker, ekonomista z Columbia University, znaleźli dowody na to, że w przypadku kilku ważnych upraw negatywny wpływ globalnego ocieplenia jest silniej powiązany z liczbą wyjątkowo upalnych dni niż ze wzrostem w średnich temperaturach w ciągu sezonu. Jeśli to prawda, wcześniejsze badania mogły poważnie nie docenić wpływu zmiany klimatu, patrząc tylko na średnie temperatury.

Obliczenia Schlenkera pokazują stały wzrost plonów kukurydzy i soi wraz ze wzrostem temperatury z 10 °C do lat 20., ale przy około 29 °C w przypadku kukurydzy i 30 °C w przypadku soi, zbiory są mocno dotknięte, a plony dramatycznie spadają. W kolejnych pracach Lobell wykazał, że upalne dni wyrządzały znacznie więcej szkód pszenicy w północnych Indiach, niż wcześniej sądzono.

Jeśli mamy wyżywić szybko rosnącą populację, plony rolne będą musiały ulec poprawie.

Zaskakującym i niepokojącym szczegółem badań, mówi Schlenker, jest to, że uprawy i rolnicy nie wydają się przystosować do zwiększonej częstotliwości upalnych dni. To, co mnie najbardziej zaskoczyło i powinno nas poinformować w przyszłości, mówi, to ogromny postęp w hodowli rolniczej – średnie plony wzrosły ponad trzykrotnie od lat pięćdziesiątych – ale jeśli spojrzysz na wrażliwość na ekstremalne upały, wydaje się, że być tak samo zły jak w latach pięćdziesiątych. Musimy mieć uprawy, które lepiej radzą sobie w gorącym klimacie. Mówi, że podczas fali upałów, która nawiedziła znaczną część Stanów Zjednoczonych w 2012 roku, plony kukurydzy spadły o 20 procent, a rok 2012 nie jest niczym niezwykłym w porównaniu z tym, co przewidują modele klimatyczne, które wkrótce stanie się nową normą.

Możliwe, że rośliny są po prostu podłączone do systemu, aby wyłączać się w temperaturach powyżej 30 °C. Rzeczywiście, Schlenker mówi, że nie jest przekonany, że uprawy można dostosować do zwiększonej częstotliwości upalnych dni, chociaż ma nadzieję, że się myli. Podobnie Lobell chce, aby jego praca lepiej określała, które aspekty zmiany klimatu niszczą uprawy, a tym samym pomagają w ukierunkowaniu niezbędnych zmian genetycznych. Ale, podobnie jak Schlenker, nie jest pewien, czy genetyka może dostarczyć wiele odpowiedzi.

W kalifornijskiej Dolinie Centralnej, jednym z najbardziej produktywnych obszarów rolniczych na świecie, Blumwald z UC Davis przyznaje, że naukowcy nigdy nie rozmnażali się pod kątem stresów, takich jak susza i upał. Ale zamierza to zmienić. Wprowadzając kombinację genów tolerancji na ciepło, suszę i wysokie zasolenie gleby do ryżu i innych roślin, Blumwald tworzy uprawy, które mają przynajmniej pewne zalety w ekstremalnych warunkach pogodowych, szczególnie w kluczowych momentach ich cyklu wzrostu.

Wyzwaniem jest unikanie zmniejszania plonów w dobrych warunkach wzrostu. Tak więc Blumwald zidentyfikował białko, które aktywuje wstawione geny tylko w niesprzyjających warunkach. Nie ma lekarstwa na suszę. Jeśli nie ma wody, roślina umiera. Nie jestem magikiem, mówi. Chcemy po prostu opóźnić reakcję na stres tak długo, jak to możliwe, aby utrzymać plony, dopóki nie pojawi się woda.

Codzienny chleb

Pole położone na północ od Londynu na terenie Rothamsted Research, które reklamuje się jako najdłużej działająca na świecie stacja badań rolniczych (założona w 1843 r.), jest jednym z głównych punktów toczącej się w Europie walki o żywność modyfikowaną genetycznie. Kontrowersje dotyczą pola pszenicy o wymiarach 80 na 80 metrów, częściowo zmodyfikowanej genetycznie w celu wytworzenia hormonu odstraszającego mszyce, pospolitego szkodnika owadzi. W 2012 roku protestujący wspiął się na niski płot i rozrzucił konwencjonalne nasiona pszenicy wśród roślin GM, próbując sabotować proces. Naukowcy z Rothamsted odkurzyli nasiona, zatrudnili kilku dodatkowych ochroniarzy i zbudowali drugie ogrodzenie, wysokie na trzy metry i zwieńczone zakrzywionym nawisem, aby zapobiec łuskom. Później kilkuset protestujących maszerowało ramię w ramię na skraj ogrodzonego pola, zanim zostali zatrzymani przez policję.

Zamieszanie w Rothamsted to tylko jedna wskazówka, że ​​kolejna wielka kontrowersja dotycząca GMO może dotyczyć transgenicznej pszenicy. W końcu pszenica jest najczęściej uprawianą rośliną uprawną na świecie, odpowiadającą za 21 procent kalorii spożywanych na całym świecie. Mieszanie się ze zbożem, z którego wyrabia się chleb powszedni dla niezliczonych milionów ludzi na całym świecie, byłoby szczególnie obraźliwe dla wielu przeciwników żywności modyfikowanej genetycznie. Co więcej, pszenica jest towarem sprzedawanym na rynkach światowych, więc zatwierdzenie pszenicy GMO w wiodącym kraju eksportującym prawdopodobnie miałoby reperkusje dla rynków żywności na całym świecie.

Pszenica jest również symbolem zmagań stojących przed rolnictwem, które stara się nadążyć za rosnącą populacją i zmieniającym się klimatem. Nie tylko wzrost plonów zaczął zwalniać, ale pszenica jest szczególnie wrażliwa na rosnące temperatury i jest uprawiana w wielu regionach, takich jak Australia, które są podatne na dotkliwe susze. Co więcej, pszenica jest podatna na jedną z najbardziej przerażających chorób roślin na świecie: rdzę łodyg, która zagraża żyznym pokosom Pakistanu i północnych Indii, znanym jako równina indo-gangetyczna. Konwencjonalne techniki hodowlane poczyniły znaczne postępy w walce z tymi problemami, wytwarzając odmiany, które są coraz bardziej odporne na suszę i choroby. Ale biotechnologia oferuje zalety, których nie należy ignorować.

Zmiany klimatyczne się nie zmieniają [wyzwanie dla hodowców roślin], ale sprawiają, że jest to znacznie pilniejsze, mówi Walter Falcon, zastępca dyrektora Centrum Bezpieczeństwa Żywności i Środowiska w Stanford. Falcon był jednym z piechoty Zielonej Rewolucji, pracującym w regionach uprawy pszenicy w Pakistanie oraz w meksykańskiej dolinie Yaqui. Twierdzi jednak, że niezwykły wzrost produktywności osiągnięty w latach 1970-1995 w dużej mierze się sprawdził i martwi się, czy można utrzymać intensywne rolnictwo w tych regionach. Mówi, że Dolina Yaqui pozostaje bardzo wydajna – ostatnie zbiory siedmiu ton pszenicy na hektar zadziwiają – ale intensywne stosowanie nawozów i wody przesuwa granice obecnych praktyk. Podobnie Falcon mówi, że martwi się, jak zmiany klimatyczne wpłyną na rolnictwo na Równinie Indo-Gangejskiej, ojczyźnie prawie miliarda ludzi.

Zapytany, czy technologia transgeniczna rozwiąże którykolwiek z tych problemów, odpowiada, że ​​nie wstrzymuję oddechu, powołując się zarówno na powody naukowe, jak i sprzeciw wobec upraw GM. Oczekuje jednak postępów w technologiach genetycznych w ciągu następnej dekady, które pozwolą na stworzenie odmian pszenicy, które będą lepiej odporne na szkodniki, wyższe temperatury i suszę.

Jest całkiem możliwe, że pierwszy i najbardziej dramatyczny postęp nastąpi w dostosowaniu upraw do zmieniających się wzorców chorób. I jak ujął to Ewen Mullins z Teagasc, jeśli chcesz studiować choroby roślin, przyjeżdżasz do Irlandii.

Sto kilometrów od idyllicznych pól w Carlow Fiona Doohan, patolog roślin z University College Dublin, opracowuje odmiany pszenicy odporne na lokalne choroby i próbuje zrozumieć, w jaki sposób patogeny roślin mogą ewoluować wraz ze zmianą klimatu. W szkolnej stacji eksperymentów rolniczych korzysta z komór uprawowych, w których stężenie dwutlenku węgla można regulować, aby naśladować wyższe poziomy oczekiwane w 2050 roku. Eksperymenty przyniosły przykrą niespodziankę. Kiedy pszenica i patogeny, które ją powszechnie nękają, zostaną umieszczone w komorze o podwyższonym poziomie dwutlenku węgla, roślina pozostaje odporna na grzyba. Ale kiedy oba są oddzielnie uprawiane przez kilka pokoleń w warunkach 2050 roku, a następnie umieszczane razem, mówi Doohan, rośliny upadają. Sugeruje to, co złowieszczo, że patogeny roślin mogą znacznie lepiej i szybciej niż pszenica przystosowywać się do zwiększonego poziomu dwutlenku węgla.

Obok budynku znajduje się sad jabłoniowy z przedstawicielami drzew uprawianych w całej Irlandii, w tym odmian posadzonych od wieków. Doohan patrzy na nich czule, gdy przechodzi obok, ziemia pokryta opadłymi jabłkami. W głębi sadu znajduje się rząd szklarni, w tym mała, w której testowane są rośliny modyfikowane genetycznie. Wewnątrz znajduje się szczególnie obiecująca pszenica transgeniczna, która okazuje się odporna na choroby parcha powszechne w Irlandii. Nowy gen zwiększa również produkcję ziarna, mówi Doohan, która stworzyła tę odmianę ze swoimi kolegami. Jest wyraźnie zachwycona wynikami. Ale, szybko dodaje, nie ma planów testowania pszenicy GM na polu w Irlandii ani nigdzie indziej w Europie. Przynajmniej na razie obiecująca odmiana pszenicy jest skazana na pozostanie w szklarni.

ukryć