Близько половини всієї калорійності та білка, які отримує людство, надходить із однорічних зернових культур. Саме ці рослини визначають сучасні підходи до використання земель у аграрному секторі. Однак такі моделі вирощування виявилися особливо вразливими перед зростанням температур і частими екстремальними погодними явищами.
Про це розповідає AgroReview
Багаторічні зернові: шлях до стійкості та ефективності
Ідея вирощування багаторічних зернових тривалий час здавалась незвичною, оскільки такі культури не мали промислового значення в історії людства. Уявна поява такої рослини вирішує чимало проблем: розширюється вікно посіву, забезпечується постійне укриття ґрунту, значно знижуються витрати на підготовку та сівбу. Багаторічні зернові сприяють збереженню ґрунтів, покращують утримання поживних речовин і оптимізують водний баланс. За рахунок тривалої вегетації такі культури здатні краще протистояти посусі, а з економічної точки зору — мінімізувати щорічні інвестиції у формування кореневої системи.
Попри очевидні переваги, спроби створити багаторічні аналоги традиційних однорічних культур неодноразово стикалися з труднощами. Яскравим прикладом є дослідження Миколи Цицина у 1920–1930-х роках в СРСР, де схрещування пшениці з пирієм дало новий вид — Triticum agropynotriticum. Однак такі гібриди часто втрачали багаторічність уже через 2–3 роки через нестабільний мейоз, низьку фертильність і дрібне зерно.
Не дали бажаного результату й численні міжнародні спроби отримати багаторічну кукурудзу завдяки гібридизації Zea perennis, Zea diploperennis, Tripsacum dactyloides та інших видів. Виявилося, що гібриди не витримують посуху й нестабільні умови довкілля.
З початком XXI століття, завдяки новим генетичним технологіям, китайські вчені змогли створити тригібрид, поєднавши тетраплоїдну кукурудзу з диким родичем Tripsacum dactyloides, а потім схрестивши отриманий генотип із Zea perennis. Нову рослину з 74 хромосомами назвали Tripsazea. Це поки не багаторічна кукурудза, але вже суттєвий крок до поєднання різних геномів і подальшого розвитку селекції.
Американські фахівці пішли іншим шляхом: вони не стали прищеплювати пшениці багаторічність через гібридизацію з пирієм, а сфокусувалися на селекції самого пирію Thinopyrum intermedium на насіннєву продуктивність. Культура отримала торгову назву Kernza.
Дослідження цієї культури тривають вже понад 40 років, проте для доместикації це незначний термін у порівнянні з тисячоліттями відбору традиційних зернових. Відтак, врожайність Kernza поки що поступається звичайній пшениці: у дослідах 2026 року у Вайомінгу Kernza дала 286 кг/га, тоді як озима пшениця — 2172 кг/га. Найкращі результати Kernza досягають 1 т/га лише в перший рік вирощування, далі врожайність знижується. Водночас, після збирання зерна господарства отримують у середньому 6 т/га кормової маси, що позитивно впливає на економіку.
“Зерно містить значно більше білка, ніж пшениця (до 20 %), і 72 % вуглеводів. Уміст крохмалю лише 47 %, що помітно нижче, ніж в інших злаках, але загальний уміст харчових волокон вищий (18 – 22 %).”
Продукти з Kernza вже з 2013 року з’явилися в меню ресторанів Міннесоти. У 2016 році на ринку з’явилося перше пиво з цієї культури, а з 2019 року — сніданкові пластівці. Врожайність зерна Kernza зростає на 58 кг/га за цикл, і через 25 років може зрівнятись із пшеницею.
Серед багаторічних олійних культур перспективною вважається силфій (Silphium integrifolium), який може рости на одному полі понад десять років без пересіву. Середня врожайність — 1,65 т/га насіння, 381 кг/га олії та 10,5 т/га біомаси у перший рік, з тенденцією до зменшення. Основними проблемами залишаються нерівномірне дозрівання, низька густота та обсипання насіння. Культура ще перебуває на ранньому етапі селекції, але має значний потенціал.
Створення багаторічної сої є ще складнішим завданням, але вже ведуться експерименти з австралійськими дикими родичами цієї культури. З огляду на історію доместикації люцерни, селекція сої на урожай бобів є перспективною задачею.
Інновації в біотехнологіях фотосинтезу
Серед найамбітніших завдань сучасної біотехнології — спроба перенести ефективніший С4-фотосинтез (як у кукурудзи) у рослини з менш продуктивним С3-фотосинтезом, зокрема в пшеницю. Ще складніше — навчити традиційні культури CAM-фіксації вуглекислого газу, властивої сукулентам, що дозволяє їм виживати при високих температурах і посухах.
У звичайної пшениці вдень продихи відкриті для фіксації CO2, що одночасно призводить до втрати води. У CAM-рослин продихи відкриваються лише вночі, вуглекислий газ накопичується і використовується для фотосинтезу вдень, що суттєво економить вологу.
Введення лише одного нового ферменту PEPC у рослини недостатньо — для повноцінного CAM-метаболізму потрібна низка компонентів, які забезпечують відповідні біохімічні процеси вночі та вдень. У 2025 році вчені створили в рисі синтетичний аналог CAM, інтегрувавши набір генів. Це дало приріст фотосинтетичної швидкості та врожайності на 20 % у польових умовах. Однак підвищити посухостійкість і ефективність використання води не вдалося, оскільки механізм роботи продихів та анатомічні особливості листка залишилися незмінними.
Дослідники встановили, що для впровадження CAM-фіксації потрібно не лише змінити метаболізм, але й перебудувати циркадну регуляцію продихів і змінити анатомію листка, щоб забезпечити накопичення вуглецю. Для пшениці було б оптимально запускати CAM-режим лише у період посухи, але це ще більше ускладнює задачу, адже потрібен механізм активації у відповідь на водний стрес.
У результаті реалізація такого проєкту можлива лише в межах системної синтетичної біології, коли всі потрібні механізми створюються та налаштовуються цілеспрямовано. Хоча до впровадження таких технологій ще далеко, зусилля вчених відкривають шлях до революційних змін в агропромисловості.