Основы рисового земледелия
Рис традиционно выращивают на затопленных полях, потому что вода оберегает злак от ночной прохлады, защищает от грызунов и насекомых, а заодно убивает сорняки. В отличие от других растений, рис особенно эффективно образует внутри себя полости (аэренхимы), по которым кислород поступает от листьев к корням. Поэтому на затопленных территориях, где корни других растений без кислорода быстро начинают гнить, злак терпеливо выживает. Эта особенность позволила дикому рису занять особую нишу в природе: он живёт в болотах, по берегам рек и на территориях, которые регулярно затапливаются из-за сильных дождей или паводков.
Большую часть риса в мире выращивают ирригационным методом. Толщина слоя воды на таких полях обычно не превышает 15 сантиметров. При этом вода не стоит, а постоянно движется: на равнинных полях — к специальным канавам, на рисовых террасах — с уровня на уровень. Её полностью сливают лишь за пару недель до сбора урожая.
Получается, на протяжении почти всего жизненного цикла корни и нижняя часть стеблей риса дышат кислородом, который поступает по аэренхимам от листьев. Эта система работает только при активном фотосинтезе. Что же происходит, когда рис оказывается под водой полностью, прямо вместе с листьями?
Подводная жизнь риса
В низменных регионах Азии, в поймах рек Индии, Таиланда, Бангладеш, Непала, Мьянмы и других стран нередки наводнения. В сезон дождей уровень воды начинает стремительно подниматься, и уже через несколько часов зелёное поле превращается в озеро. Под угрозой регулярных затоплений находится четверть рисовых полей в мире. Предсказать эти наводнения невозможно, и нередко они повторяются несколько раз в год.
Что происходит, когда растение полностью уходит под воду? Кислород быстро заканчивается, и все части злака начинают отмирать. Микроорганизмы, кишащие в воде и почве, только ускоряют разложение, превращая урожай в гниль.
Большинство сортов риса способно выдержать полное погружение лишь несколько дней. После наступают необратимые повреждения. В благоприятных условиях — небольшая глубина, прозрачная вода, яркий солнечный свет, подходящий этап жизненного цикла — растение может выдержать больше недели. На практике такое встречается редко.
Если бы вода быстро уходила, рис бы выживал, но при особо интенсивных осадках мутная вода на полях может держаться одну-две недели. Веками такие внезапные продолжительные паводки убивали весь урожай. В XX веке учёные взялись за поиск решений.
Ген выживания
В начале 1950-х годов учёные заметили на полях штата Одиша на восточном побережье Индии ростки риса сорта Dhalputtia, которые выживали даже после двухнедельных наводнений. Отбирая их, они вывели отдельный сорт FR13A.
FR в названии сорта риса расшифровывается как flood-resistent, то есть «устойчивый к затоплению».
Эти сорта были крайне чувствительны к сезону и давали небольшой урожай. Зато они сохранили в себе особенности их предков, которые позволяли выживать в дикой природе в этих же затапливаемых регионах. Тогда селекционеры стали пробовать скрещивать FR13A с сортами, которые давали больше урожая. Методом проб и ошибок им удалось получить стойкие и производительные разновидности риса, но их успех затмило открытие из другой области науки — генетики.
В 2006 году в журнале Nature вышла статья «Sub1A — ген, подобный фактору ответа на этилен, который придаёт рису устойчивость к затоплению». Давайте расшифруем этот заголовок, чтобы понять суть открытия. Этилен в растениях — газообразный гормон, который участвует в их реакциях на стресс. Факторы ответа — белки, которые считывают сигнал этилена и включают-выключают необходимые гены. Другими словами, учёные наконец нашли ген, который при избытке этилена запускает биохимические процессы для подводного выживания.
Результат сбора урожая затопленного риса: обычный рис IR64 (справа, урожайность 1,4 т/га) и сорт с внедренным геном устойчивости к затоплению (урожайность 3,8 т/га). Ген Sub1A позволяет рису выживать под водой до 17 дней.
©IRRI/flickr.com (CC BY-NC-SA 2.0)
Как это работает? При затоплении этилен начинает накапливаться на поверхности листьев, запуская реакцию на опасную ситуацию. В стремлении выжить растение активирует бурный рост, используя все оставшиеся ресурсы. Оно пытается достигнуть поверхности воды, чтобы верхние листочки и стебли оказались на воздухе. Так делают обычные сорта риса с генами Sub1B и Sub1C.
У индийского FR13A же есть особый ген — Sub1A, — который, почуяв этилен, останавливает метаболические процессы. Вместо стремительного роста растение «задерживает дыхание» и переключается в режим экономии ценных углеводов.
Вскоре учёные нашли и гены стремительного роста, которые позволяют некоторым сортам риса обгонять наводнение, — гены SNORKEL1 и SNORKEL2, что по-русски значит «шноркель», или «дыхательная трубка».
«Скуба» — рис-дайвер
Учёные стали внедрять ген Sub1A в самые распространённые сорта риса. Вскоре поля, которые раньше гибли через 10 дней наводнения, начали спокойно переживать дождливый сезон. В Бангладеш фермеры прозвали новый сорт скуба-рисом по аналогии со скуба-дайвингом (аббревиатура SCUBA расшифровывается как «автономный аппарат для подводного дыхания»).
К 2013 году уже более четырёх миллионов азиатских фермеров выращивали сорта со встроенным Sub1A. Этот рис даёт чуть меньше урожая, но зато выдерживает затопления, в которых раньше гибли все поля. Скуба-рис с Sub1A стал для влажных регионов настоящим спасением.
На Sub1A история не закончилась: с помощью генетики учёные продолжают выводить сорта, способные выдержать экстремальные условия.
Защита от соли
Как показали исследования, там, где раньше главной опасностью были паводки, появился новый главный враг — солёность почвы. Подъём уровня воды в реках приводит к тому, что растения накрывает не речной водой, а смесью пресной и морской воды. Соль попадает в почву, а оттуда — в растения. Накопление соли в тканях нарушает метаболизм (обмен веществ), мешает впитыванию воды, фотосинтезу и росту.
Помимо сезонных затоплений, вызывает опасения и общий подъём уровня мирового океана из-за глобального изменения климата. В прибрежных регионах каждые 10 сантиметров приводят к морскому затоплению десятков тысяч гектаров. Например, подъём на 20–60 сантиметров зальёт 100–200 тысяч гектаров в дельтах рек Вьетнама, где сегодня расположены рисовые поля.
Проблема соли затрагивает не только прибрежные области, но и традиционные рисовые поля, которые культивируют ирригационным методом. Несмотря на использование чистой воды и постоянное её движение, влага испаряется с полей, и доля примесей повышается. С каждым циклом выращивания риса всё больше солей оказывается в почве, ухудшая её плодородность.
Как выяснили учёные, за устойчивость к повышенной солёности в рисе отвечает отдельный участок хромосомы, который получил название Saltol. Его нашли в разновидностях риса, выведенных в дельтах рек Индии. Совмещая Sub1A и Saltol, исследователи сегодня пробуют вывести сорта, способные выдерживать и затопление, и засоление, — идеальное решение для прибрежных регионов.
Мечта рисовых генетиков — создать злак, который справится с наводнениями, засухами, солёностью, вредителями и любыми другими опасностями. Конечно, источниками этих полезных генов вновь и вновь становятся разновидности риса, которые веками выживали в экстремальных условиях.
Тест "Рис-аквалангист"
Почему для обычных сортов риса полное и продолжительное затопление, когда вода скрывает растение полностью, является смертельным?
Комментарии