Секрет — в кроне: профессор РУДН и китайские учёные выяснили, как увеличить урожайность растений без ущерба экологии

К 2050 году человечеству нужно производить вдвое больше еды, чтобы прокормить растущее население. При этом сельское хозяйство — главный источник закиси азота (N₂O), газа, который разрушает озоновый слой и в 300 раз сильнее влияет на климат, чем углекислый газ. Учёные пытались повысить урожайность с помощью удобрений и новых сортов, но упускали из виду простую вещь — форму самого растения.

«Одежда» для урожая

«Вообразите поле пшеницы. Если листья расположены хаотично и закрывают друг друга, верхние листья ловят почти весь свет, а нижние «голодают» в тени. Если же листья «собраны» более компактно, пучками — как жалюзи, пропускающие свет, — то солнце проникает глубоко вниз. Это и есть архитектура полога», — Яков Кузяков.

Учёные ввели специальный показатель — индекс компактности полога (CI). Представьте шкалу от 0 до 1. Чем ближе к нулю — тем более «пучковатая», компактная крона. Чем ближе к единице — тем равномернее листья распределены по пологу, как густая щётка.

Используя спутниковые снимки NASA (MODIS) за 16 лет и данные с тысяч полей по всему миру, команда применила искусственный интеллект, чтобы отделить влияние погоды, почвы и удобрений от влияния формы листьев. Результат удивил даже самих исследователей.

• Больше света = больше еды. Рис, пшеница, кукуруза и соя с компактной архитектурой кроны стабильно давали более высокие урожаи. Оптимальный индекс — около 0,55–0,58 (умеренно компактный полог).
• Меньше тени = меньше газов. При такой форме кроны растений выбросы закиси азота (N₂O) резко падали.

Механизм спасения

«Связь проста и элегантна. Компактный полог работает как солнечная батарея с перенаправленным светом: нижние «затенённые» листья получают достаточно радиации для фотосинтеза, хотя раньше они «бездельничали». Растение начинает производить больше органического вещества — отсюда рост урожая. Но есть и второй, скрытый эффект», — Яков Кузяков.

Выяснилось, что для активного фотосинтеза растению нужно больше азота. Оно начинает активнее высасывать азот из почвы, оставляя меньше ресурсов для почвенных бактерий, которые производят злополучную закись азота.

«Происходит двойная выгода: мы не только увеличиваем биомассу, но и «перекрываем кислород» (в прямом смысле — азот) процессу образования парникового газа. Эффективность использования азота (NUE) взлетает вверх», — Яков Кузяков.

Прибавка 336 миллионов тонн

Если бы фермеры по всему миру смогли немного скорректировать форму своих посевов до среднемирового оптимума (50-й процентиль), результаты были бы впечатляющими.

В таком случае, по прогнозам учёных, мировая урожайность вырастет на 336 миллионов тонн в год. Этого достаточно, чтобы накормить 800 миллионов человек — практически всё население Африки, страдающее от голода. При этом выбросы N₂O сократятся на 41,6%. Такого результата трудно добиться даже полным запретом удобрений. Экономический эффект от этих показателей оценивается в 108 миллиардов долларов США в год.

Как это внедрить в жизнь?

Учёные не предлагают сложной генной инженерии завтрашнего дня. Всё уже существует в природе.

• Селекция. Оказывается, форма кроны (угол наклона листьев, их скученность) заложена в генах. Учёные показали, что в Азии и Африке растут сорта риса с кардинально разным индексом CI.
• Простота измерения. Любой агроном может купить квадрокоптер с камерой, сфотографировать поле, а специальная программа (по аналогии с тем, как учёные обрабатывали спутниковые снимки) оперативно покажет индекс компактности. Не нужно ждать годами результатов анализов почвы.
• Практика. Можно просто подбирать для своего региона те сорта, у которых листья расположены более «умно», или слегка корректировать густоту посадки.

Взгляд в будущее

Исследование под руководством китайских коллег с участием профессора РУДН открывает новые возможности для улучшения урожайности растений.

«Мы привыкли воевать с почвой: лить удобрения, воду, менять химию. А оказалось, что можно просто «постричь» крону или выбрать правильный сорт. Растение само начнёт регулировать азотный цикл. Это путь к устойчивому сельскому хозяйству без вреда для экологии», — Яков Кузяков.

Теперь перед мировым научным сообществом стоит задача: создать сорта для каждого региона с заданным индексом компактности, чтобы накормить мир и спасти климат, не дожидаясь 2050 года.