Ученым и производителям необходимо внедрять инновации, чтобы сохранить основной урожай
Под полуденным летним солнцем в калифорнийской долине Сакраменто фермер, выращивающий рис, Питер Ристром идет по пыльному, бесплодному участку земли, под каждым шагом которого хрустит пересохшая почва.
В обычный год он плескался бы в нескольких дюймах воды среди пышных зеленых рисовых плантаций. Но сегодня почва лежит обнаженной и раскалена на 35-градусной жаре по Цельсию (95 градусов по Фаренгейту) во время разрушительной засухи, поразившей большую часть западной части Соединенных Штатов. Засуха началась в начале 2020 года, и условия становились все более засушливыми.
Низкий уровень воды в водохранилищах и реках вынудил таких фермеров, как Рыстром, чья семья выращивала рис на этой земле в течение четырех поколений, сократить потребление воды.
Ристром останавливается и оглядывается. «Нам пришлось сократить от 25 до 50 процентов». Ему относительно повезло. По его словам, в некоторых частях долины Сакраменто, в зависимости от прав на воду, в этом сезоне фермеры не получали воду.
Калифорния является вторым по величине производителем риса в США после Арканзаса, и более 95 процентов калифорнийского риса выращивается примерно в 160 километрах от Сакраменто. К востоку от города возвышаются вершины Сьерра-Невады, что в переводе с испанского означает «снежные горы». Рисоводы в долине внизу рассчитывают на то, что каждую зиму этот ассортимент будет оправдывать свое название. Весной талый снежный покров стекает в реки и водохранилища, а затем через сложную сеть каналов и дренажей на рисовые поля, которые фермеры поливают мелкими паводками с апреля или мая по сентябрь или октябрь.
Если в этих горах выпадает слишком мало снега, такие фермеры, как Ристром, вынуждены оставлять поля незасеянными. По данным Департамента водных ресурсов Калифорнии, 1 апреля этого года, когда снежный покров в Калифорнии обычно самый глубокий, в нем было примерно на 40 процентов меньше воды, чем в среднем. 4 августа уровень воды в озере Оровилль, который снабжает Райстром и других местных рисоводов водой для орошения, достиг самого низкого уровня за всю историю наблюдений.
Не так давно обратное - слишком много дождя - мешало Ристрому и другим сажать.«В 2017 и 2019 годах мы оставляли землю без земли из-за наводнения. Мы не могли сажать», - говорит он. Тракторы не могли двигаться по илистой, богатой глиной почве, чтобы подготовить поля к посеву.
Ожидается, что изменение климата усугубит экстремальные колебания количества осадков в штате, сообщили исследователи в журнале Nature Climate Change в 2018 году. Этот «климатический хлыст» навис над Ристромом и другими примерно 2 500 производителями риса в Золотом штате. «Они говорят о все меньшем и меньшем количестве снежного покрова и более концентрированных ливнях», - говорит Ристром. «Это действительно тревожно».
Фермеры в Китае, Индии, Бангладеш, Индонезии, Вьетнаме - крупнейших странах-производителях риса, а также в Нигерии, крупнейшем производителе риса в Африке, - также беспокоятся об ущербе, который изменение климата нанесет производству риса.. Более 3,5 миллиардов человек получают 20 или более процентов своих калорий из пушистых зерен. И спрос растет в Азии, Латинской Америке и особенно в Африке.
Чтобы сохранить и даже увеличить производство, рисоводы, инженеры и исследователи обратились к водосберегающим методам орошения и банкам генов риса, в которых хранятся сотни тысяч сортов, готовых к распространению или выведению в новых климатических условиях. -устойчивые формы. Изменение климата ускоряется, а исследователи бьют тревогу по поводу сопутствующих угроз, таких как загрязнение мышьяком и бактериальные заболевания, и спрос на инновации растет.
«Если мы потеряем урожай риса, мы не будем есть», - говорит генетик растений Памела Рональд из Калифорнийского университета в Дэвисе. Изменение климата уже угрожает рисоводческим регионам по всему миру, говорит Рональд, который идентифицирует в рисе гены, которые помогают растению противостоять болезням и наводнениям. «Это не проблема будущего. Это происходит сейчас».
Лучшие производители риса находятся в Азии
Крупнейшим производителем риса в мире является Китай с объемом производства 214 миллионов метрических тонн. Далее следуют Индия, Бангладеш, Индонезия и Вьетнам. В Африке крупнейшим производителем является Нигерия (6,8 млн человек). Согласно данным Продовольственной и сельскохозяйственной организации ООН за 2018 год, Бразилия (11,8 млн) и США (10,2 млн) также являются ведущими производителями.
Мировое производство риса, 2018 г
Морские беды
Большинство растений риса выращивают на полях или рисовых полях, которые обычно заполнены водой примерно на 10 сантиметров. Это постоянное мелкое затопление помогает предотвратить появление сорняков и вредителей. Но если уровень воды внезапно станет слишком высоким, например, во время внезапных наводнений, растения риса могут погибнуть.
Нахождение правильного баланса между избытком и недостатком воды может стать проблемой для многих фермеров, выращивающих рис, особенно в Азии, где производится более 90 процентов риса в мире. Дельты больших рек в Южной и Юго-Восточной Азии, такие как дельта реки Меконг во Вьетнаме, предлагают плоские плодородные земли, идеально подходящие для выращивания риса. Но эти низменные районы чувствительны к колебаниям круговорота воды. А поскольку дельты расположены на побережье, засуха несет с собой еще одну угрозу: соль.
Воздействие соли ярко проявляется в дельте реки Меконг. Когда уровень воды в реке снижается, соленая вода из Южно-Китайского моря устремляется выше по течению в дельту, где она может просачиваться в почву и оросительные каналы рисовых полей дельты.
«Если вы поливаете рис слишком соленой водой, особенно на определенных стадиях [роста], вы рискуете потерять 100 процентов урожая», - говорит Бьорн Сандер, специалист по изменению климата в Международный научно-исследовательский институт риса, или IRRI, базирующийся во Вьетнаме.
Во время засухи 2015 и 2016 годов соленая вода достигла 90 километров вглубь суши, уничтожив 405 000 гектаров рисовых полей. В 2019 и 2020 годах засуха и вторжение соленой воды вернулись, нанеся ущерб 58 000 гектаров риса. Согласно отчету Экономической и социальной комиссии для Азии и Тихого океана за 2020 год, в связи с повышением региональных температур эти условия в Юго-Восточной Азии, как ожидается, усугубятся и станут более распространенными.
Затем приходит хлыст: каждый год примерно с апреля по октябрь летний муссон включает кран над полосами Южной и Юго-Восточной Азии. Около 80 процентов осадков в Южной Азии выпадает в течение этого сезона и может вызвать разрушительные ливневые паводки.
Бангладеш является одним из наиболее подверженных наводнениям производителей риса в регионе, так как он расположен в устьях рек Ганг, Брахмапутра и Мегхна. По данным Министерства сельского хозяйства Бангладеш, в июне 2020 года муссонные дожди затопили около 37 процентов территории страны, повредив около 83 000 гектаров рисовых полей. И в будущем мало облегчения; Ожидается, что муссонные осадки в Южной Азии усилятся с изменением климата, сообщили исследователи 4 июня в журнале Science Advances.
Горячий беспорядок
Приливы и отливы воды - это еще не все. Обычно рис лучше всего растет в местах с жаркими днями и прохладными ночами. Но во многих рисоводческих регионах температура становится слишком высокой. Растения риса становятся наиболее уязвимыми к тепловому стрессу в середине фазы своего роста, прежде чем они начнут накапливать мясо в своих зернах. Экстремальная жара, выше 35°C, может уменьшить количество зерна всего за несколько недель или даже дней. В апреле в Бангладеш два дня подряд 36°C уничтожили тысячи гектаров риса.
В Южной и Юго-Восточной Азии такие явления экстремальной жары, как ожидается, станут обычным явлением в связи с изменением климата, сообщили исследователи в июле в журнале Earth’s Future. Есть и другие, менее очевидные последствия глобального потепления для риса.
Одной из самых больших угроз является бактериальный ожог, смертельное заболевание растений, вызываемое бактерией Xanthomonas oryzae pv. ориза. Сообщается, что это заболевание, наиболее распространенное в Юго-Восточной Азии и растущее в Африке, снижает урожайность риса на 70 процентов за один сезон.
«Мы знаем, что при более высокой температуре болезнь усугубляется», - говорит Ян Лич, фитопатолог из Университета штата Колорадо в Форт-Коллинзе. Она объясняет, что большинство генов, которые помогают рису бороться с бактериальным ожогом, становятся менее эффективными при повышении температуры.
И по мере того, как мир нагревается, новые границы могут открыться для патогенов риса. Августовское исследование Nature Climate Change предполагает, что по мере повышения глобальной температуры растения риса (и многие другие культуры) в северных широтах, например, в Китае и США, будут подвергаться более высокому риску заражения патогенами.
Тем временем повышение температуры может вызвать обоюдоострую проблему с мышьяком. В исследовании 2019 года, опубликованном в Nature Communications, Э. Мари Мюэ, биогеохимик из Центра экологических исследований Гельмгольца в Лейпциге, Германия, которая тогда работала в Стэнфордском университете, показала, что в будущих климатических условиях больше мышьяка будет проникать в рисовые растения. Высокий уровень мышьяка повышает риск для здоровья при употреблении в пищу риса и замедляет рост растений.
Выщелачивание
При выращивании в теплице при температуре на 5 градусов выше доиндустриальной температуры с повышенным уровнем углекислого газа (представляющим климат будущего) калифорнийские сорта риса поглощали из почвы больше высокотоксичного мышьяка, повышая уровни мышьяка в рисе превышают пороги безопасности Европейского Союза.
Уровни мышьяка в рисовых зернах
Мышьяк естественным образом встречается в почвах, хотя в большинстве регионов этот токсичный элемент присутствует в очень малых количествах. Рис, однако, особенно восприимчив к загрязнению мышьяком, потому что он выращивается в условиях затопления. В рисовых почвах не хватает кислорода, и микробы, которые процветают в этой бескислородной среде, выделяют мышьяк из почвы. Как только мышьяк оказывается в воде, рисовые растения могут втягивать его через свои корни. Оттуда элемент распространяется по тканям и зернам растений.
Муэхе и ее команда выращивали калифорнийский сорт риса на местной почве с низким содержанием мышьяка в теплицах с климат-контролем. По словам Мюхе, повышение температуры и уровня углекислого газа в соответствии с будущими климатическими сценариями усилило активность микробов, живущих в почвах рисовых полей, и увеличило количество мышьяка в зернах. И что важно, урожайность риса уменьшилась. В калифорнийской почве с низким содержанием мышьяка при будущих климатических условиях урожайность риса упала на 16 процентов.
По мнению исследователей, модели, прогнозирующие будущее производство риса, не учитывают влияние мышьяка на урожайность. По словам Мюхе, это означает, что текущие прогнозы завышают объемы производства риса в будущем.
Утоление жажды риса
С вершины насыпи, окаймляющей одно из его полей, Ристром наблюдает, как вода льется из трубы, заливая рисовые поля, засаженные рисовыми растениями. «В такой год мы решили прокачать», - говорит он.
Имея возможность пользоваться грунтовыми водами, Ристром оставил незасеянными лишь около 10 процентов своих полей в этом вегетационном периоде. «Если бы все выкачивали рис из земли каждый год, - признает он, - это было бы неустойчиво.
Одним из широко изученных и безопасных для засухи методов является «попеременное увлажнение и осушение», или прерывистое затопление, которое включает затопление и осушение рисовых полей циклами от одного до 10 дней, в отличие от поддержания постоянного наводнение. Эта практика может сократить потребление воды до 38 процентов без ущерба для урожайности. Он также стабилизирует почву для сбора урожая и снижает уровень мышьяка в рисе, доставляя в почву больше кислорода, разрушая микробы, выделяющие мышьяк. При правильной настройке он может даже немного повысить урожайность.
Но водосберегающие преимущества этого метода максимальны, когда он используется на почвах с высокой водопроницаемостью, например, в Арканзасе и других частях юга США, где обычно требуется много воды для поддержания затопления., - говорит Брюс Линквист, специалист по рису из Калифорнийского университета. Богатые глиной почвы долины Сакраменто плохо дренируются, поэтому экономия воды на фермах Ристром минимальна; он не использует метод.
Строительство насыпей, систем каналов и водохранилищ также может помочь фермерам снизить нестабильность круговорота воды. Но для некоторых решение климатических проблем риса заключается в улучшении самого растения.
Лучшие породы
Самая большая в мире коллекция риса хранится у южного края залива Лагуна-де-Бэй на Филиппинах, в городе Лос-Баньос. Там Международный генбанк риса, управляемый IRRI, содержит более 132 000 сортов семян риса с ферм по всему миру.
По прибытии в Лос-Баньос эти семена сушат и обрабатывают, помещают в бумажные пакеты и перемещают в два хранилища: одно охлаждается до 2-4°C, из которого семена можно легко извлечь, и другой охлажденный до -20°С для длительного хранения. Для большей безопасности резервные семена хранятся в Национальном центре сохранения генетических ресурсов в Форт-Коллинзе, штат Колорадо., и глобальное хранилище семян Шпицбергена, спрятанное в горе в Норвегии.
Все это делается для защиты биоразнообразия риса и накопления генетического материала, который можно использовать для выведения будущих поколений риса. Фермеры больше не используют многие хранящиеся сорта, вместо этого выбирая новые, более урожайные или более крепкие сорта. Тем не менее, решения проблем, связанных с климатом, могут быть скрыты в ДНК этих старых штаммов. «Ученые всегда просматривают эту коллекцию, чтобы увидеть, можно ли обнаружить гены, которые сейчас не используются», - говорит Рональд из Калифорнийского университета в Дэвисе. «Вот как был обнаружен Sub1».
Ген Sub1 позволяет растениям риса выдерживать длительные периоды полного погружения под воду. Он был обнаружен в 1996 году в традиционном сорте риса, выращиваемом в индийском штате Орисса, и путем селекции был включен в сорта, выращиваемые в подверженных наводнениям регионах Южной и Юго-Восточной Азии. Сорта Sub1, называемые «водным рисом», могут выживать более двух недель полностью погруженными в воду, что является благом для фермеров, чьи поля уязвимы для внезапных наводнений.
Некоторые исследователи ищут не только генетическую изменчивость, сохраненную в банках генов риса, но и ищут полезные гены других видов, включая растения и бактерии. Но вставка генов одного вида в другой или генетическая модификация остаются спорными. Самым известным примером генетически модифицированного риса является Золотой рис, который был задуман как частичное решение проблемы недоедания у детей. Зерна золотого риса богаты бета-каротином, предшественником витамина А. Чтобы создать рис, исследователи вставили ген нарцисса и другой ген бактерии в азиатский сорт риса.
С момента его первоначальной разработки прошло три десятилетия, и лишь несколько стран признали золотой рис безопасным для употребления. 23 июля Филиппины стали первой страной, разрешившей коммерческое производство золотого риса. Абдельбаги Исмаил, главный научный сотрудник IRRI, винит в медленном принятии общественное мнение и коммерческие интересы, выступающие против генетически модифицированных организмов или ГМО (SN: 06.02.16, стр. 22).
Заглядывая вперед, странам будет крайне важно перейти на ГМ-рис, говорит Исмаил. Развивающиеся страны, особенно в Африке, которые становятся все более зависимыми от урожая, получат большую выгоду от этой технологии, которая может производить новые сорта быстрее, чем селекция, и может позволить исследователям включать в растения риса черты, которые не могут быть получены при традиционной селекции. По словам Исмаила, если бы золотой рис получил всемирное признание, это могло бы открыть двери для новых генетически модифицированных сортов, устойчивых к климату и болезням.«Это займет время, - говорит он. «Но это случится».
Изменение климата - это многоголовый зверь, и каждый регион, выращивающий рис, столкнется со своим набором проблем. Решение этих проблем потребует сотрудничества между местными фермерами, государственными чиновниками и международным сообществом исследователей.
«Я хочу, чтобы мои дети могли попробовать это, - говорит Ристром. «Вы должны делать гораздо больше, чем просто выращивать рис. Вы должны думать на несколько поколений вперед».
Климатически устойчивый рис
Чтобы миски для риса во всем мире были полны, исследователи выводят новые сорта риса, которые могут выдерживать такие стрессы, как засуха, наводнения и соль.
Sahbhagi Dhan: Для сбора урожая традиционных сортов риса требуется от 120 до 150 дней и требуется четыре полива. Сахбхаги Дхан - засухоустойчивый сорт, урожай собирают после 105 дней и всего двух поливов. В нормальных условиях он производит примерно в два раза больше риса (четыре-пять метрических тонн с гектара), чем другие местные сорта в Индии. В условиях засухи дает от одной до двух тонн с гектара; местные сорта не производят ни одного.
Акваланговый рис: Sub1, ген толерантности к погружению, был выведен в сорта аквалангиста. Рис обычно погибает через три-четыре дня полного погружения в воду - многие сорта истощаются до смерти, пытаясь быстро вырасти на поверхность воды. Сорта Sub1 (показаны), однако, воздерживаются от этого бешеного всплеска роста и могут выдерживать более двух недель под водой, способные пережить внезапные наводнения летнего муссона.
Солеустойчивый рис: Созданные путем вставки области генома под названием S altol, солеустойчивые сорта риса способны лучше регулировать количество ионов натрия, токсичных в больших количествах, в их тканях. S altol используется в высокоурожайных сортах по всему миру.