Органическое земледелие приводит к адаптации генетического материала растений

Это было продемонстрировано в долгосрочном исследовании, проведенном в Боннском университете, на растениях ячменя.

Исследователи посадили растения ячменя на двух соседних полях и использовали традиционные методы ведения сельского хозяйства на одном и органические методы на другом. Данные собирались в течение более 20 лет и анализировались, результаты опубликованы в журнале «Agronomy for Sustainable Development» и в релизе Боннского университета за авторством Йоханнеса Зайлера.

В конце 1990-х годов профессор доктор Йенс Леон начал этот эксперимент в Боннском университете, который, как он знал, продлится долгое время. Его исследовательская группа хотела изучить влияние условий ведения сельского хозяйства на генетический материал растений. С этой целью они провели комплексное долгосрочное исследование в течение 23 лет в Институте растениеводства и сохранения ресурсов (INRES). «Мы впервые скрестили высокоурожайный ячмень с дикой формой, чтобы увеличить генетическую изменчивость. Затем мы посадили эти популяции на двух соседних полях, чтобы ячмень рос в одной почве и в одинаковых климатических условиях, но в разных аграрных системах ведения сельского хозяйства», — рассказывает Йенс Леон.

На одном из полей применялось традиционное земледелие, где исследователи использовали пестициды для борьбы с вредителями и сорняками, а также минеральные удобрения, чтобы обеспечить ячмень питательными веществами.

В другой области исследователи применили методы органического земледелия: отсутствие пестицидов, борьба с сорняками механическими методами и удобрение почвы навозом из конюшен. Для посева на следующий год отбирали семена с каждого поля.

«Однако мы не выбирали зерна по каким-то конкретным характеристикам, а просто случайным образом отбирали небольшую часть урожая», — подчеркивает коллега Леона доктор Михаэль Шнайдер.

Ученые также ежегодно анализировали геномы растений, выращиваемых традиционным и органическим способом. Каждый отдельный ген может существовать в различных формах, называемых аллелями. Например, человеческий ген, отвечающий за цвет глаз, существует в аллелях «коричневый» и «синий».

Частота возникновения определенных аллелей в популяции может меняться на протяжении поколений. Условия окружающей среды являются одним из факторов, играющих роль в этом процессе: аллели, обеспечивающие процветание растений в их нынешней среде обитания, обычно обнаруживаются чаще.

Исследователи выявили две интересные тенденции в своих генетических тестах: за первые 12 лет частота аллелей ячменя менялась одинаково на обоих полях.

«Наша интерпретация этого открытия заключается в том, что очень разнообразные популяции, возникшие в результате скрещивания с диким ячменем, адаптировались к местным условиям. Ведь такие факторы, как климат, почва и особенно продолжительность дня, были идентичны для обеих популяций», — говорит доктор Агим Баллвора, участник исследования.

Однако в последующие годы частоты аллелей обеих культур все больше расходились. В частности, у ячменя, выращенного с использованием методов органического земледелия, появились варианты генов, менее чувствительные к дефициту питательных веществ или нехватке воды, то есть аллели, влияющие на структуру корней.

«Одной из причин этого, по-видимому, являются сильные различия в доступности питательных веществ в органическом земледелии», — поясняет Леон.

Традиционно выращиваемый ячмень со временем стал более генетически однородным, а это означает, что генетический материал отдельных растений, выращенных на поле, становился все более похожим из года в год.

Однако органический ячмень оставался более гетерогенным. Частоты аллелей органической культуры со временем менялись более широко. В результате некоторые годы были крайне благоприятными или неблагоприятными для некоторых аллелей. Это может быть связано с тем, что условия окружающей среды в органическом сельском хозяйстве колеблются гораздо сильнее, чем при традиционных методах создания условий: если, например, определенные болезни растений закрепятся в течение одного года, растения будут больше всего полагаться на те аллели, которые их защитят.

Изменчивость сил окружающей среды, действующих на растения, по-видимому, приводит к большей генетической гетерогенности. «В результате растения лучше адаптируются к такого рода изменениям», — говорит Леон.

В целом, результаты демонстрируют важность выращивания сортов, оптимизированных для органического земледелия. Поскольку их генетический состав адаптируется к этим условиям, они станут более выносливыми и принесут более высокие урожаи.

«Кроме того, кажется, при выращивании растений имеет смысл скрещивать их со старыми или даже дикими сортами. Наши данные также показывают, что это может принести пользу даже обычным высокоурожайным сортам», — заключил Леон.

Источник: University of Bonn. Автор: Йоханнес Зайлер. На фото — обычная популяция слева и органический ячмень справа: только эксперты могут заметить различия невооруженным глазом. Однако огромные различия можно выявить с помощью молекулярной генетики.

Автор фото: профессор Йенс Леон/ University of Bonn.