🔹

За последнее 100 лет человек стал значительно более самодостаточным и способным себя обеспечить. Продолжительность жизни увеличилась, особенно ее качество. Это свидетельствует о том, что человек постепенно становится менее зависимым от природы,  то есть происходит увеличение вклада автотрофности в его  жизнеобеспечение. 

В 21 веке перед человечеством стоят  огромные  задачи по обеспечению продуктами питания населения планеты, численность которого значительно возросла.

Прогнозы показывают, что обеспечение продовольствием  населения Земли в 9,1 миллиарда человек в период между 2005 и 2050 годами потребует роста общего производства продовольствия на 70%. Необходимо производить не только больше продовольствия  для людей, но также увеличить поставку сырья для разрастающегося рынка биоэнергии. Помимо этого, важно применять более эффективные и устойчивые методы производства, уметь приспосабливаться к изменениям климата [1]..

По данным ФАО, на планете систематически голодают около 500 млн. человек, а около 1 млрд.  испытывают явный недостаток пищи. К 2050 году для удовлетворения потребностей возросшего населения Земли производство зерновых   необходимо будет увеличить,  по крайней мере, в два раза,  обеспечить рост потребления мяса и других продуктов животного происхождения, а также повысить требования к кормам для животных и их промышленному использованию.

Расширение производства продовольственных культур для обеспечения спроса на продукты питания, корма и их промышленное применение потребует увеличения производительности труда на единицу площади земли, а также более эффективного расходования водных и минеральных ресурсов.  Вместе с тем, понятно, что эти ресурсы с течением времени станут более ограниченными. 

В последние десятилетия значительная доля увеличения урожайности продовольственных культур обеспечивается благодаря усилиям селекции на устойчивость к заболеваниям и различным стрессовым факторам, а также совершенствованию  управления растениеводством. Однако многие развитые страны  в Европе в ближайшем будущем не смогут наращивать производство продовольствия, поскольку  основные сельскохозяйственные культуры уже исчерпали потенциал своей биологической урожайности. Урожаи риса в ведущих азиатских странах также достигли максимума.

Урожайность зависит от  солнечного света, воды, удобрений, которые получает растение, а также от качества семян. Признано, что одним из основных источников  роста урожайности, необходимого для удовлетворения глобального спроса на продукты питания, является  повышение эффективности фотосинтеза  растений. 

В  50-х  годах 20 века в Советском Союзе  А.А. Ничипоровичем была разработана теория фотосинтетической продуктивности растений. В результате  реализации этой теории и использования новых методов селекции можно рассчитывать на то, что многие культуры способны  будут достигать уровня теоретически возможной фотосинтетической продуктивности. Это должно способствовать тому, что земледелие будущего нашей планеты и рациональное использование природной органической продуктивности дадут возможность обеспечить продуктами питания 10 млрд. человек [1].

За последние 50 лет на планете произошли глобальные изменения  климата и содержания СО2 в воздухе. Так, по некоторым данным  [1], масштабы фотосинтетического преобразования и запасания солнечной энергии огромны: каждый год за счет фотосинтеза на Земле образуется около 200 млрд. тонн биомассы,  а ежегодная ассимиляция углекислого газа  в результате фотосинтеза составляет около 260 млрд. тонн. Расчеты показывают, что к 2035 году содержание углекислого газа в атмосфере удвоится, то есть будет составлять около 0,06%.В результате скорость фотосинтеза может возрасти на 60% [1]. При этом следует также учитывать, что двукратное повышение содержания СО2 в атмосфере ведет и к повышению температуры поверхности Земли на 2- 3 0С, причем оно будет минимальным в тропической зоне и максимальным в высоких широтах (8 – 11 0C).

Эти изменения климата и состава воздуха не всегда предсказуемо могут сказываться  на фотосинтетической продуктивности, поэтому необходимо искать и другие способы получения более высоких по качеству продуктов фотосинтеза. В настоящее время одним из таких способов можно считать генетическое редактирование фотосинтеза.

Как известно, высшие растения  в зависимости от роли углеродного метаболизма в фотосинтезе делятся на С3, С4  и САМ - типы [2,].   

САМ – растения произрастают  в аридных условиях, поэтому днем фотосинтез у них тормозится из-за необходимости закрывания устьиц для экономии потерь влаги. Усвоение же углекислоты у них происходит ночью, в результате чего образуются дикарбоновые кислоты, которые  днем  становятся источником СО2 для фотосинтеза.  

Основной вклад в продовольственное обеспечение человечества (60-70%) вносят С3- растения, у которых первичным продуктом фиксации СО2  является 3х-углеродное соединение и С4 – растения. У последних первичный продукт фиксации СО2представлен 4х-углеродным соединением. Несмотря на то, что они  составляют всего 4- 5 % всей флоры земного шара, их  вклад в снабжение человека продуктами питания достигает 30-40%. 

Установлено, что С4 - растения по многим физиологическим показателям значительно отличаются от С3 - растений [2]. Одним из таких отличий является высокая  продуктивность С4 -  растений по сравнению  С3 -представителями. Эта особенность  явилась одной из причин появления работ по внедрению элементов С4-фотосинтеза   в С3 растения  с целью повышения продуктивности последних.

В связи с этим еще в 70-х годах прошлого века для повышения  продуктивности растений были начаты исследования по активи­рованию синтеза С4-кислот в С3- растени­ях с помощью генетических и физиологиче­ских методов. 

Так, в  различных странах  ведутся работы по получению С4-риса [2]. Проведены подобные исследования и с пшеницей. В настоящее время продуктивность риса с гектара посева такова, что им можно про­кормить 27 человек. К 2050 году, учитывая рост народонаселения, один гектар должен кормить уже 43 человека. 

Считается, что  именно С4-рис может  обеспечить продовольствием  людей.  На наш взгляд, эти работы могут дать сильный толчок для развития биотехноло­гии, но возможности получения при этом С4- риса весьма неопределенны.

Более перспективным кажется обогащение риса качественным белком путем внесения в него геновС4-растения амаранта, обладающего самым высоким по качеству белком[3]. 

Среди С4- культур, наиболее уникальной и значимой для продовольственной безопасности культурой является именно амарант. Эта единственная культура, которая содержит самые качественные белки с высоким содержанием лизина, а также ценные жиры и углеводы [3].

О подобных работах по улучшению  качества белка С3- растений  с помощью амаранта уже известно из литературы. Так, профессор Азиз Датта  пишет, что в его лаборатории   получен трансгенный картофель  семи экономически важных сортов с разным генотипом. Для этого в геном растения перенесли конструкцию из гена амаранта AmA1 в комплексе с геном, активирующим его. Для переноса традиционно использовали агробактерии. Как показали эксперименты, трансгенные растения картофеля по морфологическим признакам ничем не отличались от обычных растений, но у них  значительно улучшился аминокислотный состав картофеля, что привело к  повышению скора  белка  (показателя качества белка). Таким образом, был получен своеобразный «мясной» картофель [4]. 

Еще одним подходом может быть включение аллелей генов синтеза С4 -цикла  в мезофильные клетки С3-растений. Когда С3- растения испытывают дефицит воды, устьица частично закрываются, что приводит к ограничению газообмена. Функционирование С4-цикла должно обеспечить положительный баланс углерода в С3-растениях  и привести к предотвращению  снижения их продуктивности.

Таким образом, создание новых растений на базе генетических модификаций С3- растений  путем внедрения  определенных «С4-генов» в С3 растения поможет человечеству увеличить продуктивность и качество растительного мира. 

Использование генов  амаранта возможно  также для обогащения качественным белком и близких ему по фотосинтезу, но  углеводных форм С4-растений, таких как кукуруза и сорго. Таким образом, мечта многих селекционеров мира создать кукурузу с высоким содержанием лизина может стать  реальностью в наше время. 

Вместе с тем, редактирование генома кажется перспективным и в несколько ином направлении. 

Мой многолетний опыт исследования С4-растений показывает, что желательно возможно  создание из  «малатных» форм С4-астений(кукуруза, сорго) сортов  с высоким содержанием скора белка, путем перевода их в «аспартатные» формы С4-растений. Считаем целесообразным с использованием метода генного редактирования изменить путь углерода в  кукурузе и сорго аналогично амарантовому варианту.

Как известно, первичным продуктом ассимиляции углекислоты у кукурузы является щавелево-уксусная кислота (ЩУК), которая при участии НАДФ-малат-дегидрогеназы  превращается в яблочную кислоту, а у амаранта эта кислота переходит в аспарагиновую кислоту при помощи аспартат-аминотрансферазы(2). 

С помощью редактирования генома фотосинтеза кукурузы, считаю возможным получение аллелей генов, способных снизить превращение ЩУК в яблочную кислоту и увеличить  образование из нее аспарагиновой кислоты. Последняя же является источником образования «аспартатных» форм С4- растений, которые способны синтезировать более качественный, лизин-содержащий белок.

В будущем с помощью геномного редактирования возможно будет  изменять процессы получения новых аллелей гена, ответственного за работу аспартатаминотрансферазы и аланинаминотрансферазы, которые являются ключевыми  в синтезе белка у «аспартатных» форм С4-растений.

Геномное редактирование на основе CRISPR может быть использовано для одновременного редактирования каждого гена в геноме растений для создания  нужных аллелей, которые можно было бы вставлять в новые формы растений. Использование СRISPR поможет получению новых форм кукурузы и сорго, обладающих более  качественным составом  белка[5]. 

Таким образом, мы считаем, что редактирование генома «малатных» форм С4-растений позволило бы  значительно увеличить качество  белка у культур, традиционно используемых для питания населением планеты.

Выводы.

  1.  Возможно использование гена белка  AmA1 в комплексе с геном, активирующим его для улучшения качества белка традиционных культурС3-культур (пшеницы, картофеля, риса) для улучшения качества белка, что будет способствовать сбалансированию питания человека.
  2. Геномное редактирование фотосинтеза открывает возможностипреобразования «малатных» форм С4-растений в «аспартатные, что позволитулучшить качественный состав белка традиционных сельскохозяйственных С4-культур.

Список литературы.

  1. Магомедов И. М. Концепция В. И. Вернадского об автотрофности человечества и теория Мальтуса о народонаселении. Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований". 2017, №1.С. 80-84.
  2. Магомедов И.М. К вопросу об истории открытия С4-фотосинтеза. Современное состояние проблемы. Успехи современного естествознания. 2015.№1.С. 962-965:
  3. Магомедов И.М., Чиркова Т. В. Амарант  - прошлое, настоящее и будущее. Успехи современного естествознания.2015. No1.С.1108-1113
  4. SubhraChakraborty, NiranjanChakraborty, andAsisDatta. Increasednutritivevalueoftransgenic potato by expressing a nonallergenic seed albumin gene from Amaranthushypochondriacus. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2000. V. 97.  №. 7. Р. 3724-3729.
  5. Злобин Н.Е., Терновой В.В., Гребенкина Н.А.. Тарановв В.В. Сделать сложное проще: современный инструментарий для редактирования генома растений.Вавиловский журнал генетики и селекции. 2017 Т.21(1).С. 104-111. Doi 10.18699/Vj17228.

Listofreferences.

1. Magomedov I. M. V. I. Vernadsky`s Concept of autotrophy of mankind and Malthus`s theory of population. International journal of applied and fundamental research".2017, no. 1. Pp. 80-84.

2. Magomedov I. M.On the history of the discovery of C4 photosynthesis.Current state of the problem.Advances in modern natural science.2015. no. 1. Pp. 962-965:

3. Magomedov I. M., Chirkova T. V. Amaranth-past, present and future.Progress of modern natural science. 2015. No1. P. 1108-1113

4. Subhra Chakraborty, Niranjan Chakraborty, and AsisDatta.Increased nutritive value of transgenic potato by expressing a nonallergenic seed albumin gene from Amaranthushypochondriacus.Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2000. V. 97. no. 7.P. 3724-3729.

5. Zlobin N.E., Ternovoy V. V., Grebenkina N. A. Taranovv V. V. To make complex things easier: modern tools for editing the plant genome. Vavilov journal of genetics and plant breeding.2017 Vol. 21(1). Pp. 104-111. Doi 10.18699/Vj17228.

Исследование опубликовано в Евразийском научном журнале. 2020. № 9.

Автор: Магомедов И.М., доктор биологических наук, профессор, академик РАЕ, ООО «Амарант-Про», Санкт-Петербург. Россия.

Оригинал статьи на AgroXXI.ru