Поскольку концентрация парниковых газов в воздухе продолжает расти, растения сталкиваются с настоящим изобилием углекислого газа, который они используют наряду с водой и солнечным светом для фотосинтеза. Хотя многолетние исследования показывают, что такое изобилие углерода позволяет некоторым растениям расти быстрее и крупнее, обзор литературы, опубликованный в ноябре 2023 года в журнале Trends in Plant Science, показывает, что ситуация не столь обнадеживающая.

В обзоре собраны многочисленные доказательства того, что увеличение фотосинтеза, вызванное диоксидом углерода, известное как эффект углеродного удобрения, представляет собой неоднозначное явление для растений, и рассмотрены молекулярные механизмы, на которые влияет высокий уровень углекислого газа. С одной стороны, усиленный фотосинтез и, как следствие, повышенное производство углеводов увеличивают биомассу растений C₃-группы, в которую входит подавляющее большинство растительности на Земле. Однако многочисленные исследования показывают, что эти растения, в том числе и основные сельскохозяйственные культуры, получают меньше азота в результате избытка углерода, что снижает их питательную ценность и способность экосистем выступать в качестве поглотителей углерода.

Биогеохимик Саманта Вайнтрауб-Лефф (Samantha Weintraub-Leff), которая не работала над исследованием, но изучает схожие вопросы в Национальной сети экологических обсерваторий (National Ecological Observatory Network, NEON) – сети полевых участков по всей территории США – положительно оценивает работу авторов обзора по изучению генетических и молекулярных механизмов, которые могут быть причиной этих изменений в сельскохозяйственных и диких растениях.

"Мы должны понять, как решить эту проблему, чтобы не только производить больше еды, но и обеспечивать ее питательными веществами", – говорит Вайнтрауб-Лефф в интервью The Scientist. "Это очень важно для благополучия человека. Я думаю, очень важно, что они обращают на это внимание и пытаются выявить первопричину".

В обзоре изложены и оценены четыре ведущие гипотезы, которые появились для объяснения того, почему повышенное воздействие CO₂ на окружающую среду приводит к снижению концентрации минеральных питательных веществ, особенно азота, который растения получают из почвы в виде нитратов и который является важнейшим строительным блоком для молекул, входящих в состав как растений, так и животных, которые ими питаются.

Предполагаемые механизмы включают: прямолинейное разбавление, при котором увеличение общей биомассы и углерода приводит к снижению концентрации всего остального; закрытие стомы – отверстий в листьях растений – на более длительное время суток, а также сужение стомы, что приводит к снижению поглощения питательных веществ корнями и уменьшению транспортировки азота к побегам; нарушение молекулярного пути, обеспечивающего реакцию восстановления азота, которая превращает взятые из почвы нитраты в полезные белки; нарушение регуляции системы поглощения нитратов в корнях.

"Вряд ли кто-то будет спорить с тем, что мы наблюдаем увеличение отношения углерода к азоту", – говорит Вайнтрауб-Лефф. – Растения в целом не успевают поглощать азот по сравнению с тем количеством углерода, которое они получают. Вклад этой работы заключается в попытке выяснить механизмы... это важно, потому что тогда мы сможем понять, как с этим бороться, особенно в наших агроэкосистемах".

Авторы предполагают, что все четыре гипотезы играют как минимум небольшую роль в этом вопросе. Но на основании опубликованных доказательств каждой гипотезы – в основном это эксперименты, в которых модельные растения, такие как соя (Glycine max), рис и Arabidopsis thaliana, подвергались различным уровням воздействия CO₂ в специальных помещениях, – авторы обзора полагают, что третья и четвертая гипотезы имеют больше оснований и, вероятно, играют более заметную роль, чем первые две. Обе эти гипотезы указывают на то, что повышенная концентрация CO₂ в воздухе и почве нарушает экспрессию генов и молекулярные процессы, которые обычно обеспечивают растениям способность поглощать и затем использовать нитраты.

"Что делает [эти две] гипотезы более убедительными, так это тот факт, что они сосредоточены на N-специфических механизмах, и даже на механизмах, связанных с нитратами", – сообщил The Scientist по электронной почте соавтор обзора Антуан Мартин (Antoine Martin), биолог растений из Национального центра научных исследований во Франции.

Эксперименты, приведенные в обзоре, свидетельствуют о том, что повышенное содержание CO₂ в окружающей среде снижает активность различных генов NRT, которые участвуют в транспортировке азота через корни растений и из корней, а также генов фотосинтеза, таких как RBCL. Однако в обзоре отмечается, что исследователи еще не накопили большого количества долгосрочных данных об этих конкретных генетических механизмах, и Мартин добавляет, что для него особенно удивительно обнаружить снижение поглощения азота, несмотря на увеличение фотосинтеза. Механизм этого эффекта еще не до конца раскрыт.

Рослин Глидоу (Roslyn Gleadow), биолог из Университета Монаша (Австралия), изучающая метаболизм азота в растениях и не принимавшая участия в подготовке обзора, отмечает, что гипотезы о том, что высокий уровень углекислого газа изменяет поглощение и усвоение нитратов, были спорными, когда впервые были предложены около десяти лет назад, но с тех пор доказательств в их пользу стало больше.

"Меня нисколько не удивляет, что в растениях, выращенных при повышенном содержании углекислого газа, уровень микроэлементов ниже", – говорит она. – Я сама это обнаружила, и это было зафиксировано много раз. Интересно то, что это не просто эффект разбавления".

Главный вывод, который подчеркивается как в статье, так и экспертами, беседовавшими с The Scientist, заключается в том, что эти изменения предвещают неприятности для сельского хозяйства и экосистем по всему миру.

"Для тех из нас, кто работает в области фотосинтеза, становится все более очевидным, что фотосинтез способен получать выгоду от увеличения содержания углекислого газа только в течение длительного времени, и сейчас этот эффект начинает сходить на нет", – говорит Глидоу. – Так что огромная выгода, которую мы наблюдали от поглощения растениями углекислого газа из атмосферы, увеличения роста сельскохозяйственных культур, роста деревьев – все это сойдет на нет в ближайшие десять лет или около того".

В обзоре отмечается, что сокращение количества минеральных питательных веществ в растениях может привести к истощению запасов важных соединений для почвы и почвенного микробиома, а также нарушить циклический поток азота и углерода в экосистеме. Авторы предполагают, что все большее значение будет приобретать генетическая инженерия сельскохозяйственных растений для повышения их адаптивности к высоким уровням CO₂ или активный отбор растений с более адаптивными признаками.

"Редактирование генов в сельскохозяйственных культурах станет актуальным подходом, как только будут четко определены генетические детерминанты этой негативной реакции", – пишет Мартин.

"Я думаю, что место, где мы действительно можем что-то сделать, – это пахотные земли", – говорит Вайнтрауб-Лефф. – И это не так уж и просто".

Она добавляет: "Нам нужно ускорить [адаптацию] в этом искусственно созданном нами мире с очень высоким содержанием CO₂".

Однако, по ее словам, эта стратегия становится гораздо менее осуществимой, если рассматривать растения, обитающие в несельскохозяйственных экосистемах, где сложнее регулировать растения и почву, в которой они растут. "Единственное, что мы можем сделать в лесах и на лугах, – это снизить уровень CO₂".

Глидоу согласна с этим, утверждая, что генная инженерия сама по себе не может противостоять разрушительным последствиям продолжающегося изменения климата. "Это еще один тревожный сигнал, который говорит о том, что нам совершенно необходимо сократить выбросы", – говорит она. "Я думаю, что редактирование генов – это потрясающий инструмент, но является ли он решением проблемы, я не знаю, и я просто не вижу, чтобы такие вещи широко распространились по всему миру".

Дэн Робицки