Przyszłościowe uprawy: czy edycja genów może pomóc w zapewnieniu bezpieczeństwa żywnościowego?

Potrzebne jest lepsze rolnictwo

Ponieważ nasza cywilizacja mierzy się z połączeniem rosnącej populacji i niestabilności klimatu, kwestia bezpieczeństwa żywnościowego ponownie wysuwa się na czoło ważnych kwestii do rozwiązania. Do tego ryzyka dołączają się inni, co sprawia, że ​​problem staje się jeszcze bardziej wrażliwy, jak np. trwające szkody dla bioróżnorodności i wymieranie gatunków, zanieczyszczenie, erozja żyznej gleby, urbanizacja gruntów ornych itp.

W rezultacie na agronomów i naukowców zajmujących się roślinami wywierana jest ogromna presja, aby przedstawili rozwiązania, które w idealnym przypadku jednocześnie zapewnią sekwestrację dwutlenku węgla, zwiększoną produkcję żywności i zmniejszą wpływ na grunty orne.

„Jeśli tego nie zrobimy dobrze, to tak naprawdę nie sądzę, żeby cokolwiek innego miało jakiekolwiek znaczenie”

Sekretarz stanu USA Anthony Blinken na wydarzeniu Global Solutions for Food Security w Nowym Jorku we wrześniu 2023 r.

Jednym z najbardziej obiecujących narzędzi jest inżynieria genetyczna, ale ma ona inny cel niż poprzednia edycja genów upraw. Podczas gdy poprzednio nacisk kładziono na dążenie do wyższych plonów za wszelką cenę i w połączeniu z dużymi nakładami chemicznymi, bardziej zaawansowane metody mogłyby również łączyć wyższą produkcję z bardziej zrównoważonymi wynikami.

Taki argument przedstawił Stephen Long, profesor nauk o uprawach i biologii roślin na Uniwersytecie Illinois w Urbana-Champaign, w publikacji¹ pod tytulem "Potrzeby i możliwości zabezpieczenia upraw na przyszłość oraz wykorzystania systemów uprawowych w celu łagodzenia zmian atmosferycznych".

Zmieniająca się planeta

Ponury obraz?

Zanim omówimy, jak się dostosować, musimy zrozumieć, co się zmienia, a obraz jest niezwykle złożony. Oczekuje się, że globalne ocieplenie nie tylko zmieni średnie warunki, sprawiając, że niektóre obszary będą bardziej żyzne, a niektóre mniej, ale także zwiększy częstotliwość i nasilenie zjawisk ekstremalnych.

Należą do nich ekstremalne temperatury, susze, powodzie i poziom ozonu przy powierzchni ziemi. Wszystkie te czynniki mogą mieć drastyczny wpływ na plony, nawet większy niż ogólna zmiana przeciętnych warunków, do której wystarczyłaby zmiana metod rolniczych.

Stężenie CO2 w atmosferze osiągnęło 427 ppm w 2024 r. i przewiduje się, że do 600–2050 r. wyniesie ono około 2060 ppm. W takim scenariuszu średnia globalna temperatura mogłaby wzrosnąć o kolejne 1.2°C do 2050–60 r., nawet o 2.7°C powyżej temperatur sprzed epoki przemysłowej.

Jeśli chodzi o żywność, do roku 35 świat będzie potrzebował od 56 do 2050% więcej żywności z powodu wzrostu spożycia na osobę, rosnącej populacji i zwiększonego marnotrawstwa żywności w związku ze zwiększającą się liczbą osób przeprowadzających się do miast.

Jeśli dodamy do tego przewidywane straty w plonach spowodowane zjawiskami ekstremalnymi i zmianami klimatu, oznacza to mniej więcej konieczność niemal dwukrotnego zwiększenia światowej produkcji żywności do 2050 r.

Nie wszystkie złe wieści

Jednak rosnący poziom CO2 związany ze zmianą klimatu ma pozytywny wpływ: stymuluje wzrost roślin. W rzeczywistości zwiększone stężenie CO2 jest rutynowo stosowane w szklarniach w celu zwiększenia plonów.

„Nowoczesne elitarne odmiany ryżu i soi wykazują wzrost plonów o około 30% wraz ze wzrostem stężenia CO2 do przewidywanego poziomu w latach 2050–60.

Uprawy C4 – kukurydza i sorgo – nie wykazują wzrostu plonów, ponieważ są już nasycone CO2 przy dzisiejszym, już i tak wysokim poziomie”

Dotyczy to w szczególności roślin z metabolizmem C3, do których zalicza się większość upraw nietropikalnych i które stanowią znaczną część podstawowych upraw na świecie (rośliny C4 mają inny metabolizm, który koncentruje CO2 w liściach przed fotosyntezą, więc logiczne jest, że poziom CO02 w otoczeniu ma dla nich mniejsze znaczenie).

Źródło: G dla G

Kolejną dobrą wiadomością jest to, że podwojenie plonów jest nie tylko możliwe, ale już zostało osiągnięte, przynajmniej w przypadku niektórych konkretnych upraw.

Przykładowo, ogromne inwestycje korporacji rolnych w prace badawczo-rozwojowe pozwoliły już podwoić plony kukurydzy, podczas gdy inne podstawowe uprawy, takie jak ryż, pszenica, ziemniaki i sorgo (ważne w Afryce i regionach tropikalnych) pozostały w tyle.

Źródło: Wydawnictwo Towarzystwa Królewskiego

Radzenie sobie z problemami rolniczymi

Ozon niskogórski

Ozon troposferyczny (O3) jest zanieczyszczeniem wtórnym powstającym w wyniku działania światła słonecznego na lotne związki organiczne i tlenki azotu w zanieczyszczonych masach powietrza.

Obecnie w wiejskich rejonach amerykańskiego pasa kukurydzianego często można spotkać się ze stężeniem >100 ppb, przy czym znacznie wyższe wartości występują w głównych rejonach uprawy roślin w Chinach i Indiach.

„Ozon już generuje 5% strat w przypadku soi i około 10% w przypadku kukurydzy w USA, co kosztuje około 9 miliardów dolarów rocznie. Łącznie może to skutkować utratą do 10% światowych upraw.

Modyfikacja genetyczna anatomii roślin, zwłaszcza szparek (miejsce umożliwiające przedostanie się powietrza do liści) może zmniejszyć penetrację ozonu i uszkodzenia. Wraz ze wzrostem stężenia CO2 mniej otwartych szparek nie powinno drastycznie wpływać na wydajność fotosyntezy.

Źródło: Fakty naukowe

Zwiększenie produkcji przeciwutleniaczy w roślinie może również pomóc w ograniczeniu utleniania przez cząsteczki ozonu i poprawić ogólną odporność rośliny na stres.

Susza i zużycie wody

Oczekuje się, że wyższa temperatura i bardziej ekstremalne warunki pogodowe będą się wiązać z większymi niedoborami wody.

Przewiduje się, że do 2050 r. globalne straty plonów kukurydzy spowodowane suszą wzrosną do 21.3% z poprzedniej średniej wynoszącej 12.0% w latach 1961–2006, a w przypadku pszenicy z 9.6% do 15.5%.

Odsetek regionów dotkniętych suszą najbardziej wzrośnie w Afryce i Oceanii – z obecnych 22% i 15% do 59% i 58% do końca stulecia.

Również w tym przypadku dolne otwarcie aparatów szparkowych może pomóc w zmniejszeniu zapotrzebowania roślin na wodę oraz w zmniejszeniu stresu podczas suszy.

„Rezultatem była 15% poprawa efektywności wykorzystania wody na poziomie liści w tytoniu uprawianym w polu i 30% spadek wykorzystania wody w całej roślinie. Ze względu na dużą szybkość, z jaką można go modyfikować genetycznie, tytoń jest często używany jako poligon doświadczalny do badania zmian, które można wykorzystać w wielu innych roślinach.

Inżynieria genetyczna, taka jak wprowadzenie Bacillus subtilis Wprowadzenie do rośliny białka szoku termicznego typu B (cspB) może poprawić odporność na suszę, jednak nie udało się jeszcze zastosować tego środka w celach komercyjnych.

Zwiększanie sekwestracji węgla

Ostatecznie rośliny są maszynami zamieniającymi wodę, CO2 i światło słoneczne w materię organiczną. Tylko 50% biomasy upraw jest zbierane, a reszta pozostaje w postaci łodyg lub korzeni.

Gdyby ta materia organiczna pozostała w glebie, zamiast ulec rozkładowi w ciągu kilku lat, zwiększyłaby ona netto ziemski pochłaniacz węgla o 50%.

Odpowiedzią może być połączenie głębszych korzeni z metodami rolnictwa bezorkowego. Po wytworzeniu silniejszego systemu korzeniowego, czy to poprzez manipulację genetyczną, czy też specjalne programy hodowlane, aktywuje się jednocześnie kilka mechanizmów:

• Poprawa jakości gleby i jej zdolności do zatrzymywania wody.
• Poprawia odporność rośliny na suszę, dzięki czemu absorpcja węgla pozostaje stale na wyższym poziomie.

Zmiana składu ścian komórkowych poprzez dodanie większej ilości ligniny i dłuższych cząsteczek węgla mogłaby również sprawić, że powstała martwa materia organiczna byłaby o wiele bardziej odporna na rozkład, zatrzymując węgiel pod ziemią na dziesiątki lat, a nawet stulecia i dłużej.

Na koniec, można by zastosować jeszcze bardziej proaktywne podejście, którego celem byłoby bezpośrednie „uprawianie” i wychwytywanie węgla na skalę przemysłową. Naukowcy zidentyfikowali wysoko wydajne trawy wieloletnie C4, takie jak Miscanthus × giganteus lub trawa preriowa (Panicum virgatum) i skorpena preriowa (Spartina pectinata), która może zatrzymać do 130 ton CO2 na hektar w ciągu roku, a w przypadku niektórych odmian nawet więcej.

Stosując technologię BECCS (bioenergia z wychwytywaniem i składowaniem dwutlenku węgla), biomasę tę można spalić w celu wytworzenia energii elektrycznej, a powstały CO2 będzie wychwytywany i transportowany do głębokiego, podziemnego magazynu.

Źródło: Penn State University

Tworzenie odpowiednich przepisów

Poruszanie się wśród sprzeczności

Problemem związanym z masowym wdrażaniem takich zmodyfikowanych upraw, które mogą zwiększyć plony pomimo zmiany klimatu, a nawet przyczynić się do jej złagodzenia, jest to, że z pewnością będzie to wymagało stosowania upraw GMO.

W tym kontekście niechęć dużych regionów do korzystania z takich upraw może stanowić poważną przeszkodę dla wszelkich rozwiązań biotechnologicznych mających na celu rozwiązanie problemu zmiany klimatu i niedoboru żywności.

Dotyczy to w szczególności UE, która często całkowicie zakazuje upraw GMO. Jednak inne regiony również mają tendencję do całkowitego zakazywania GMO na etykietach ekologicznych, pomimo ścisłych celów zwiększenia części rolnictwa objętego etykietą ekologiczną.

Tak więc w obecnym kontekście prawnym ochrona środowiska poprzez zwiększenie roli rolnictwa ekologicznego może oznaczać wyrządzanie szkód środowisku poprzez utratę większych plonów i zwiększenie wychwytywania dwutlenku węgla.

Był to temat publikacji w prestiżowym czasopiśmie naukowym Cell² pod tytulem "Nowe techniki genomiczne w produkcji ekologicznej: rozważania na temat opartych na nauce, skutecznych i akceptowalnych regulacji UE".

CRISPR i inne nowe techniki genomiczne (NGT)

Kluczową kwestią jest rozróżnienie nowe techniki genomiczne (NGT) ze starszych, bardziej prymitywnych metod stosowanych wcześniej do tworzenia GMO.

Ta znacznie bardziej kontrolowana i precyzyjna metoda inżynierii genetycznej obejmuje CRISPR-Cas9, technologię ukierunkowanych nukleaz (SDN), mutagenezę kierowaną oligonukleotydami (ODM) i zależną od RNA metylację DNA (RdDm).

W przeciwieństwie do wprowadzania obcego genu do rośliny, NGT może albo wywołać celową mutację, która mogła wystąpić naturalnie, albo wprowadzić materiał z rośliny, która mogła naturalnie skrzyżować się z docelową uprawą.

„Rolnictwo ekologiczne może odegrać ważną rolę w przejściu na bardziej zrównoważone systemy żywnościowe,

Większy nacisk na wydajność i odporność można osiągnąć poprzez wprowadzenie większej różnorodności upraw, których rozwój można ułatwić i przyspieszyć dzięki NGT.”

Choć nie są w pełni „naturalne”, NGT nie tworzą też niczego nowego, co nigdy nie mogłoby powstać spontanicznie, lecz po prostu „kierują ręką natury”.

Zwolennicy tego stanowiska uważają, że konieczne jest zrozumienie natury NGT i dokonanie niuansów rozróżnień między rozważanymi technologiami (GMO i NGT).

Czy etykiety ekologiczne mogą dostosować się do NGT?

Głównym powodem, dla którego organy regulacyjne i opinia publiczna niechętnie akceptują nawet „naturalne” NGT jako produkty ekologiczne, jest to, że mogłoby to poważnie zaszkodzić postrzeganiu tej etykiety.

Zamiast tego autorzy artykułu proponują stworzenie schematów etykietowania „organiczne + NGT”, które jasno wskazują, że nie chodzi tylko o „klasyczny schemat rolnictwa ekologicznego”, ale również o to, że nie chodzi o zwykłe GMO.

Jeśli rolnictwo ekologiczne stanie się promowaną formą produkcji rolnej w UE, wszystkie formy produkcji ekologicznej (w tym NGT+) będą musiały zostać uwzględnione przy ocenie realizacji celów ekologicznych w UE.

To mogłoby otworzyć drogę do szerszego rozpowszechnienia metod uprawy ekologicznej, bez poświęcania plonów. Zwłaszcza, że ​​etykiety ekologiczne wykraczają daleko poza samą odmianę roślin, ale także metody uprawy, takie jak stosowanie pestycydów i herbicydów, metody orki i sadzenia itp.

Ostatnie przemyślenia na temat edycji genów i odporności rolniczej

Zmieniające się warunki klimatyczne i większy popyt na żywność stanowią zarówno poważne ryzyko, jak i wielką szansę.

Z jednej strony może to spowodować ogromne cierpienie ludzkie i szkody ekologiczne. Z drugiej strony może to być impuls, który zachęci nas do tworzenia lepszych i bardziej zrównoważonych form rolnictwa.

Prawdopodobnie uda się to osiągnąć dzięki pewnym modyfikacjom genetycznym naszych upraw, tak jak działo się to od początku rolnictwa.

Nowe techniki genomiczne mogą obecnie wykorzystywać bogactwo danych genomicznych zgromadzonych w ciągu ostatnich dziesięcioleci, aby tworzyć bardziej odporne i produktywne rośliny.

Tymczasem nasze regulacje i postrzeganie inżynierii genetycznej również muszą ewoluować. Ostateczny cel ochrony środowiska będzie musiał przezwyciężyć uprzedzenia dotyczące GMO stworzone, gdy inżynieria genetyczna była jeszcze stosunkowo prymitywna.

Nie oznacza to, że niekontrolowana modyfikacja naszej biosfery powinna mieć charakter powszechny, ale bardziej otwarte i ostrożne podejście wykorzystujące wszystkie dostępne nowe narzędzia mogłoby przynieść najlepsze możliwe rezultaty przy jednoczesnym ograniczeniu większości zagrożeń.

Innowator w dziedzinie inżynierii genetycznej roślin

Corteva

Corteva jest światowym liderem w dziedzinie technologii rolniczych, zwłaszcza chemikaliów i nasion. Jest również bardzo aktywna w nowych technologiach rolniczych, takich jak robotyka.

Z 17.2 mld USD sprzedaży netto w 2023 r., ponad 22,500 10,000,000 pracowników i ponad XNUMX XNUMX XNUMX klientów firma jest jedną z największych w swoim sektorze, obok amerykańskich konkurentów Bayer i Syngenta.

Ogólnie rzecz biorąc, co może odzwierciedlać głębszy trend zmniejszonego zużycia i zwiększonej konkurencji, sprzedaż środków chemicznych (pestycydów, herbicydów itp.) spadła w 2024 r., podczas gdy sprzedaż nasion wzrosła.

Źródło: Corteva

Przy głębszym spojrzeniu, podstawową działalnością Cortevy w zakresie nasion jest kukurydza i soja, które stanowią większość przychodów firmy w tym segmencie. Co najważniejsze, Soja „Enlist E3” firmy Corteva, odporny na 3 herbicydy (2,4-D cholinę, glifosat i glufosynat), wzrósł z poniżej 5% w 2019 r. do >65% udziału w rynku amerykańskim.

W ochronie roślin/środkach chemicznych ponad połowę sprzedaży stanowiły herbicydy, resztę stanowiły głównie insektycydy i fungicydy.

Corteva zbudowała swoją obecną działalność wokół tradycyjnego rolnictwa przemysłowego, które nadal jest bardzo dochodową działalnością i pokrywa obecne wydatki na prace badawczo-rozwojowe.

Jednakże, jak już omawialiśmy tutaj i w poprzednim „Fprzyszłość rolnictwa„w artykule otwierają się nowe możliwości, a Corteva jest ich liderem:

• Edytowanie genów istniejących upraw, w tym z wykorzystaniem technologii CRISPR.
• Centrum innowacji dla startupów z branży technologii rolniczych, Katalizator Corteva. "Platforma uczenia maszynowego pomaga w pracach nad ukształtowaniem sektora i identyfikacją technologii istotnych dla priorytetów badawczych Cortevy".
• Biostymulatory, środki biokontroli i inne produkty pochodzenia naturalnego, takie jak feromony owadów ze sprawdzoną i przewidywalną wydajnością.
• Bakterie wiążące azot (BlueN™ lub Utrisha™ N) w celu stworzenia dodatkowego nawozu wolnego od chemikaliów.
• Ziarno bio-wzbogacone witaminą A w celu poprawy odżywiania w biednych krajach.
• Chodzące roboty do upraw rzędowych.
• Eksperymenty z wdrażaniem sztucznej inteligencji w gospodarstwach rolnychod zbierania owoców po identyfikację najlepszych roślin w celu selekcji cech pod kątem produkcji nasion.
• Pełny pakiet rozwiązań programowychod danych obrazowych terenu po oprogramowanie do zarządzania gospodarstwem rolnym oraz monitorowanie i sprzedaż kredytów węglowych.

Corteva aktywnie analizuje również przyszły wzrost popytu na zielone biopaliwa i specjalistyczne białka, których rynek docelowy do 10 r. będzie szacowany na 30–2035 mld dolarów.

Źródło: Corteva

Podsumowując, Corteva, mimo że jest gigantem „starych” metod rolnictwa przemysłowego, jest również wyraźnie świadoma zmian w sektorze i stara się stać równie dużą i odnoszącą sukcesy firmą, dostosowaną do szybko zmieniających się praktyk rolniczych.

Najnowsze wiadomości i wydarzenia dotyczące akcji Corteva (CTVA)

Przywoływane badania

<sup>1. Long Stephen P. (2025) Potrzeby i możliwości zabezpieczenia upraw na przyszłość oraz wykorzystanie systemów uprawowych w celu łagodzenia zmian atmosferycznych. Phil. Trans. R. Soc. 29 maja 2025 r. http://doi.org/10.1098/rstb.2024.0229
2. Molitorisová, Alexandra i in. (2025) Nowe techniki genomiczne w produkcji ekologicznej: Rozważania na temat opartych na nauce, skutecznych i akceptowalnych regulacji UE. Cell Reports Sustainability, 30 maja 2025 r. https://www.cell.com/cell-reports-sustainability/fulltext/S2949-7906(25)00101-6</sup>