Международная группа ученых из Германии и США провела анализ биоэнергетических культур первого, второго и третьего поколения. Хотите узнать, чем они отличаются и где селекционерам можно приложить свои силы и знания, читайте дальше! 

Кристиан Вевер (Институт растениеводства и сохранения ресурсов (INRES) Боннского Университета, Германия), Дэвид Л. Ван Тассел (Земельный институт, США) и Ральф Пуд (Факультет сельского хозяйства, Боннский университет, Германия) опубликовали на портале Agronomy очень интересную статью.

Авторы рассматривают формирующуюся биоэкономику и культуры, которые для этого необходимы.

«Формирующаяся биоэкономика увеличит потребность в растительной биомассе. Мы призываем к появлению третьего поколения биоэнергетических культур или культур биомассы, чтобы помочь обществу перейти к устойчивому образу жизни и глобальной продовольственной безопасности.

Посевы биомассы третьего поколения должны производить как продукты питания, так и сырье. Такая гибкость позволила бы фермерам реагировать на глобальные вызовы рынка и получать прибыль. В то же время культуры биомассы третьего поколения должны повышать устойчивость сельского хозяйства. Для достижения таких амбициозных целей эти новые культуры должны развиваться de novo из многообещающих многолетних диких видов», пишут ученые.

Дилемма выделения продуктивных земель под топливо вместо продовольствия сделала биоэнергетические культуры спорными.

Первое поколение

Критика биоэнергетических культур первого поколения особенно сильна. Такие культуры, как кукуруза, рапс, подсолнечник, сахарная свекла и пшеница, были одомашнены для непосредственного потребления человеком или адаптированы для непрямого питания человека посредством кормления сельскохозяйственных животных.

Эти культуры производят большое количество липидов или углеводов, которые легко превращаются в топливо, такое как биогаз, биодизель или этанол.

Однако производство этих однолетних культур требует больших затрат энергии и / или труда. Любые затраты энергии необходимо учитывать в сравнении с урожайностью этих культур. Очевидно, что тяжелая техника, используемая для обработки почвы и растений, требует топлива и выделяет CO 2, но есть и другие, менее очевидные затраты энергии, включая производство азотных удобрений с интенсивным использованием ископаемого топлива, перекачку воды для орошения и производство семян для ежегодной пересадки.

Поскольку многолетние культуры не требуют ежегодной пересадки и / или обработки почвы, баланс между затрачиваемой и собранной энергией может быть значительно улучшен.

Так, промышленные многолетние пастбища требовали в 11,75 раз меньше затрат энергии, чем близлежащие однолетние системы земледелия, с аналогичным выходом биомассы и белка на гектар. Поэтому и проводился поиск новых многолетних биоэнергетических культур.

Второе поколение

Так называемые биоэнергетические культуры второго поколения включают мискантус, тополь, люцерну и просо.

Они представляют собой сдвиг в сторону идеального стандарта биомассы многолетних пастбищ с низким потреблением ресурсов и высоким разнообразием.

Помимо потенциала снижения зависимости от ископаемого топлива и повышения энергетической отдачи от инвестиций (EROI), многолетние культуры создают другие экосистемные услуги, такие как контроль эрозии и устойчивость во время засухи.

Благодаря своей сильной, глубокой и устойчивой корневой системе они могут осваивать больший объем почвы и, следовательно, требуют меньшего количества питательных веществ или поливной воды.

Помимо прямых экономических и экологических преимуществ, их внедрение может снять этические проблемы, связанные с биоэнергетическими культурами.

Во-первых, возможно, что эти выносливые культуры можно выращивать на деградированных землях, непригодных для продовольственных культур.

Во-вторых, тот факт, что это дикие (или почти дикие) виды, никогда ранее не использовавшиеся человеком в качестве пищевых продуктов, снижает связь производства биомассы с отсутствием продовольственной безопасности в мире. Подводя итог, можно сказать, что преимущества культур второго поколения основаны на экологических характеристиках многолетних растений.

Также одомашнивание De novo, что просто означает одомашнивание дикого в настоящее время растения, может происходить быстро с помощью редактирования генов, как это было недавно достигнуто для дикого родственника томата на основе существующих знаний о генах одомашнивания, а также путем фенотипического или геномного отбора.

Впрочем, старые споры о еде и топливе могут возобновиться, особенно в связи с тем, что рост населения продолжает увеличивать спрос как на продукты питания, так и на топливо, а усилия по сокращению климатических нарушений и истощения природные запасы ограничивают доступность ископаемых углеводородов.

Растения и потоки отходов должны составлять основу этой новой, так называемой, биоэкономики. Каскадное использование биомассы также приведет к дальнейшему улучшению энергетического баланса. В будущем вся растительная биомасса должна использоваться как можно чаще в качестве строительного материала, но, главным образом, в качестве источника энергии.

«Мы считаем, что пока полностью избежать компромисса между продуктами питания и топливом невозможно. К сожалению, сейчас биоэкономика не в состоянии поддерживать уровни энергопотребления, к которым мы, жители северных территорий, привыкли в эпоху дешевой нефти. Продолжающееся расширение производства как продовольствия, так и биоэнергии приведет к вытеснению экосистем диких растений, которые являются важными резервуарами биоразнообразия и среды обитания животных. К счастью, промышленно развитые страны имеют возможности резко сократить потребление продуктов питания или биоэнергии, либо того и другого. Мы могли бы есть меньше сахара и, в целом, сократить потребление калорий на душу населения. С другой стороны, надо оптимизировать улучшение жилой архитектуры, повысить эффективность отопления и сократить потребление моторного топлива за счет уменьшения частных автомобилей (например, провести реконструкцию дорог под велосипедистов и переход людей на удаленную работу)», предлагают авторы.

Третье поколение

«Здесь мы призываем к появлению третьего поколения биоэнергетических культур или культур биомассы, чтобы помочь обществу перейти к устойчивой биоэкономике и глобальной продовольственной безопасности.

Мы стремимся частично разрешить конфликт между производством биомассы и питанием человека путем замены многолетних культур второго поколения новыми, более гибкими, многоцелевыми культурами третьего поколения.

Как и биоэнергетические культуры первого поколения, их гибкое использование либо для производства продуктов питания, либо для получения энергии может помочь обществу справиться с кризисами разного рода. При этом они должны иметь все преимущества многолетников.

Хотя зерновые культуры третьего поколения можно вывести из диких родственников, мы видим самый высокий потенциал в семействах растений, которые в настоящее время не представлены в сельском хозяйстве. Это новое поколение сельскохозяйственных культур должно иметь следующие три характеристики:

1. Максимальная эффективность.

Новые биоэнергетические культуры не должны конкурировать с продовольственными культурами и водными экосистемами за воду для орошения. Не допускается орошение культур третьего поколения, за исключением периода первоначального укоренения.

Эффективность использования азота также должна быть очень высокой, как в случае с культурой второго поколения, мискантусом.

Зерновые культуры третьего поколения должны быть способны к биологической фиксации азота почти на 100% или же быть совместимыми с промежуточным посевом бобовых.

Обработка урожая также должна быть местной и энергоэффективной, что позволило бы избежать производства этанола из целлюлозных культур. Многолетний жизненный цикл, вероятно, единственный способ достичь такого уровня эффективности, но не все многолетние растения имеют глубокие корни или устойчивы к засухе.

2. Производство услуг для множества экосистем.

Культуры биомассы третьего поколения должны быть способны производить как продукты питания для людей (основные продукты питания или высококачественные корма для животных), так и промышленное сырье (топливо, волокна и т. д.).

Например, многолетний урожай может быть собран в конце сезон для съедобного зерна или, в другой год, вся биомасса собирается раньше в сезоне для производства биогаза / кормов или зимой (после уборки зерна) для сырья. Такая гибкость позволила бы фермерам реагировать на глобальный спрос.

Такие культуры должны выполнять услуги по удержанию углерода и снижению эрозии почвы, а также производить цветочные ресурсы для поддержки насекомых-опылителей, повышать ландшафтное биоразнообразие, быть устойчивыми к болезням и вредителям, к проблемным почвам.

Например, дикие галофиты могут поддерживать продуктивность сельскохозяйственных земель, которым угрожает засоление в результате орошения или повышение уровня моря.

Мы все еще находимся в начале определения многолетних диких видов в качестве потенциальных сельскохозяйственных культур.

Так, многолетний злак Thinopyrum intermedium (входит в группу растений, обычно называемых пырей из-за сходства головок или колосьев семян с обычной пшеницей) был использован как для зерна, так и для биомассы без ущерба для урожайности или доступности питательных веществ.

Silphium perfoliatum L. (сильфиум продырявленный) и Sida hermaphrodita Rusby (или виргинская мальва) в настоящее время являются восходящими звездами среди новых биоэнергетических культур третьего поколения.

Вызовы: сейчас большой риск представляет преждевременный перевод новых кандидатов от исследований к практике. Дикие образцы не адаптированы к условиям выращивания в поле. Это означает риск, что у фермеров будет негативный практический опыт и репутация перспективных культур испортиться с самого начала.

Другие проблемы включают низкую представленность диких многолетних растений в основных банках зародышевой плазмы. Так было и с S. perfoliatum, и с S. integrifolium.

К счастью, в этих случаях многие дикие популяции были сохранены in situ. Однако продолжающаяся фрагментация естественных экосистем, преобразование диких экосистем в возделываемые земли, сокращение опылителей и изменение климата - все это угрожает ресурсам зародышевой плазмы неисследованных новых кандидатов сельскохозяйственных культур.

Возможности: начиная с диких видов, мы можем сознательно сохранять дикие черты, которые, возможно, были утрачены во время одомашнивания сегодняшних культур. Эти черты включают ассоциации с мутуалистическими грибами и микробами, устойчивость и толерантность к биотическим и абиотическим стрессам, а также эффективность использования питательных веществ / воды. Генофонд диких видов может включать множество подвидов или экотипов, и возможно намеренно сохранить как можно больше генетических вариаций во время одомашнивания в эпоху геномики.

«В целом, быстрое de novo одомашнивание новых многообещающих культур с учетом имеющихся научных достижений – звездный час селекционеров, которые специализируются на устойчивом преобразовании сельского хозяйства», заключают авторы.

(Источник: www.mdpi.com).