Продовольственная безопасность: семена растений облучают на Международной космической станции (МКС) для изучения их биологии и генетики

В течение примерно трех месяцев семена растений, помещенные внутри и за бортом Международной космической станции (МКС), подвергаются воздействию преобладающих в космосе условий — микрогравитации, космической радиации и экстремально низких температур. Среди этих растений семена резуховидки, которая благодаря своим уникальным свойствам широко используется в экспериментах, и богатое питательными веществами зерно сорго, которое используется в производстве продуктов питания, а также кормов и этанола. (Изображение: NASA, Nanoracks)

В течение примерно трех месяцев семена растений, помещенные внутри и за бортом Международной космической станции (МКС), подвергаются воздействию преобладающих в космосе условий — микрогравитации, космической радиации и экстремально низких температур. Среди этих растений семена резуховидки, которая благодаря своим уникальным свойствам широко используется в экспериментах, и богатое питательными веществами зерно сорго, которое используется в производстве продуктов питания, а также кормов и этанола. (Изображение: NASA, Nanoracks)

В течение примерно трех месяцев семена растений, помещенные внутри и за бортом Международной космической станции (МКС), подвергаются воздействию преобладающих в космосе условий — микрогравитации, космической радиации и экстремально низких температур. Среди этих растений семена резуховидки, которая благодаря своим уникальным свойствам широко используется в экспериментах, и богатое питательными веществами зерно сорго, которое используется в производстве продуктов питания, а также кормов и этанола. (Изображение: NASA, Nanoracks)

В рамках этого астроботанического исследования, проводимого МАГАТЭ и Продовольственной и сельскохозяйственной организацией Объединенных Наций (ФАО) при содействии Совместного центра ФАО/МАГАТЭ по ядерным методам в продовольствии и сельском хозяйстве, проходит изучение воздействия космического излучения на семена сельскохозяйственных культур в целях совершенствования их свойств и выведения сортов, устойчивых к последствиям изменения климата и способствующих повышению глобальной продовольственной безопасности. Главная цель исследования заключается в изучении воздействия суровых условий космоса на эволюционные изменения в семенах, а также способности этих изменений повысить устойчивость растений к постепенно ухудшающимся условиям выращивания на Земле.

«На нас лежит ответственность за изучение ядерных методов, которые могут положительно повлиять на здоровье людей и продовольственное снабжение, — говорит Наджат Мохтар, заместитель Генерального директора МАГАТЭ и руководитель Департамента ядерных наук и применений. — В то время как мир пытается преодолеть проблему адаптации к последствиям изменения климата, нам необходимо ускорить исследования в области селекции растений, чтобы найти подходящие и экономически эффективные решения».

7 ноября 2022 года семена резуховидки и сорго были отправлены на МКС с космодрома Уоллопс, Вирджиния, США, в составе груза миссии CRS2 NG-18.

13 декабря половина семян была перемещена на внешнюю платформу МКС Nanoracks, а другая половина для сравнения осталась внутри МКС, где семена подвергаются воздействию микрогравитации и облучению космической радиацией.

«Инновационные исследования и разработки чрезвычайно необходимы мелким производителям продуктов питания, которые наиболее уязвимы к изменению климата, — говорит заместитель Генерального директора ФАО Мария Элена Семедо. — Все более суровые условия выращивания угрожают производству продовольствия, и мы надеемся, что исследования в космосе помогут изменить ситуацию, способствуя выведению множества устойчивых и питательных сортов сельскохозяйственных культур».

Космическое излучение для селекции растений

Спонтанные мутации, возникающие в результате воздействия различных условий окружающей среды, являются катализатором эволюции всех живых организмов. МАГАТЭ и ФАО через посредство своего Совместного центра уже давно оказывают странам поддержку в выведении новых сортов сельскохозяйственных культур с улучшенными свойствами при помощи метода радиационно-индуцированного мутагенеза. Использование этого метода способствует повышению продовольственной безопасности и безопасности питания, а также росту доходов фермеров. 

Семена резуховидки и сорго были выбраны для исследования из-за уже имеющегося банка генетических данных об этих растениях, которые можно использовать для анализа и сравнения. Резуховидка широко изучалась ботаниками и генетиками, а зерно сорго из полузасушливых тропиков во многих развивающихся странах выращивается для употребления в пищу.

Совместный центр ФАО/МАГАТЭ, расположенный в Вене, Австрия, уже почти в течение 60-ти лет содействует исследованиям в области выведения новых сортов сельскохозяйственных культур с использованием радиации. В истории сельского хозяйства естественный отбор и эволюционная, или мутационная, селекция были основными движущими силами одомашнивания сельскохозяйственных культур и селекции растений. Благодаря им происходит генетическая адаптация растений к изменяющимся условиям окружающей среды и совершенствуются свойства сельскохозяйственных культур. На сегодняшний день с помощью радиационно-индуцированной генетической вариативности и мутационной селекции было выведено более 3 400 новых сортов более 210 видов растений, включая многочисленные продовольственные культуры, декоративные растения и деревья, используемые фермерами в 70-ти странах.

База данных МАГАТЭ по мутантным сортам содержит перечень новых сортов, которые добровольно предоставляются странами. Около половины из них переданы Индией, Китаем, Россией и Японией.

Ожидается, что семена будут возвращены из космоса в апреле 2023 года. Их прорастят и культивируют в теплицах и лабораториях МАГАТЭ в Зайберсдорфе, управляемых Совместным центром ФАО/МАГАТЭ, и исследуют на предмет структурных вариаций в ДНК и биологических изменений. Эти исследования позволят понять, оказывают ли условия космоса, включая космическое излучение, положительное воздействие на свойства сельскохозяйственных культур и могут ли они потенциально принести пользу людям на Земле. 

Мутантный сорт пшеницы «Луюань 502», выведенный с помощью космического излучения. (Фото: Академия сельскохозяйственных наук Китая)

Cosmic radiation in plant breeding

Spontaneous mutations arising from exposure to different conditions in the environment are the bases of evolution in all organisms, and the IAEA and FAO, through the Joint FAO/IAEA Centre, have a long history of supporting countries in finding new crop varieties with desirable traits through radiation-induced mutagenesis techniques, improving food and nutrition security and farmers’ income.

Arabidopsis and sorghum seeds were selected for the study because there is already a large bank of genetic knowledge to draw up for analysis and comparison. Arabidopsis has been studied extensively by plant botanists and geneticists, while sorghum is a crop of the semi-arid tropics, a grain that is grown in many developing countries for food.

The Joint FAO/IAEA Centre, based in Vienna, Austria, has been speeding up plant breeding research using radiation to develop new agricultural crop varieties for almost 60 years. In the history of plant agriculture, natural selection or evolution breeding, also called mutation breeding, have been the drivers of crop domestication and plant breeding. They are responsible for the genetic adaptation of plants to their changing environments and lead to the improvement of crops. So far, over 3 400 new varieties of more than 210 plant species have been developed using radiation-induced genetic variation and mutation breeding — including numerous food crops, ornamentals and trees used by farmers in 70 countries.

When the seeds return from space, currently expected in April 2023, they will be germinated and grown in the IAEA greenhouses and laboratories in Seibersdorf, managed by the Joint FAO/IAEA Centre, and examined for DNA structural variations and biological effects.  These analyses will help understand whether cosmic radiation and space conditions have a uniquely valuable effect for crop improvement and could potentially benefit people on Earth.