Как изменение климата влияет на питательный состав сельскохозяйственных культур

Автор: Виджай Кумар Малесу
Рецензент: Лорен Хардакер

По мере усиления климатического давления сельскохозяйственные культуры растут быстрее, но при этом теряют жизненно важные питательные вещества. Понимание этих биохимических изменений необходимо для создания устойчивых продовольственных систем с высоким содержанием питательных веществ в условиях меняющегося климата.

Введение

Повышение концентрации углекислого газа (CO2) в атмосфере, усиливающаяся засуха и аномальная жара меняют структуру сельскохозяйственных культур, что приводит к снижению урожайности, ухудшению опыления и уменьшению количества минералов в грамме растений из-за разбавления углеводов и нарушения поглощения корнями цинка, железа и других необходимых питательных веществ. Эти факторы стресса в сочетании с озоном и экстремальными погодными условиями также угрожают плодовым деревьям, овощам, бобовым, рыбным хозяйствам и ореховым плантациям, меняя места выращивания продуктов питания и их качество.

Биологи, изучающие жизнь, обеспокоены тем, что плотность питательных веществ — это первый рубеж биологии: она определяет кофакторы ферментов, синтез гемоглобина, иммунный статус и развитие нервной системы, а значит, и риски развития анемии, инфекций, нарушений развития у детей и глобального общественного здравоохранения.1

В этой статье объясняется, как повышенный уровень CO₂, жара, засуха и озон перепрограммируют биохимию растений, нарушая баланс углерода и азота, ухудшая усвоение минералов, изменяя вторичные метаболиты и снижая содержание питательных веществ, что приводит к негативным последствиям для здоровья населения. В целом недавние исследования показывают, что снижение питательной ценности является одним из признанных компонентов «скрытого голода», поскольку повышенный уровень CO₂ одновременно повышает урожайность, но снижает питательную ценность основных продуктов питания. 1,2

Фотосинтез и углеродно-азотный баланс

Повышенное содержание CO2 увеличивает парциальное давление CO₂ вокруг рибулозо-1,5-бисфосфат-карбоксилазы/оксигеназы (RuBisCO), что усиливает карбоксилирование, снижает фотодыхание и увеличивает выработку триозофосфата, который впоследствии преобразуется в сахарозу и крахмал. Со временем стимулирующий эффект может ослабевать в зависимости от наличия азота и воды. Такой усиленный приток углерода нарушает баланс углерода и азота, поскольку углеводы накапливаются, а соединения, богатые азотом, разбавляются, особенно при недостатке азота в почве. Это приводит к снижению концентрации белка и минералов в съедобных тканях.2

На биохимическом уровне повышенный уровень CO₂ влияет на регуляцию фотосинтеза и фотодыхания, изменяя кинетику RuBisCO, а также подавляя гены, участвующие в ассимиляции азота. Это ограничивает поток через цикл глутаминсинтетазы/глутаматсинтазы (GS/GOGAT), который преобразует неорганический азот в аминокислоты.

Исследования с обогащением воздуха CO₂ (FACE) и в контролируемых камерах подтверждают, что, хотя пшеница и рис изначально выигрывают от повышенного содержания CO₂ за счёт увеличения скорости фотосинтеза, длительное воздействие CO₂ снижает содержание азота, калия и фосфора в надземных органах. Этот эффект объясняется «разбавлением» и ограниченными механизмами ассимиляции азота.2,3 У бобовых культур скоординированная фиксация азота может частично компенсировать эти ограничения, но реакция зависит от контекста. По сути, удобрение CO₂ увеличивает синтез углеводов, но снижает плотность азота, что приводит к уменьшению количества белка и основных минералов.2

Недостаток микроэлементов

У С3 сельскохозяйственных культур, таких как пшеница, рис и соя, повышенное содержание CO₂ в атмосфере увеличивает накопление углеводов, но приводит к вымыванию минералов, в результате чего общее содержание минералов в тканях растений снижается примерно на 8 %, при этом заметно уменьшается количество азота, железа, цинка и других катионов. Мета-анализы и исследования FACE показывают, что при концентрациях CO2, ожидаемых к 2050 году, уровни железа и цинка в зерне снижаются примерно на 5-10%, в то время как концентрация белка в пшенице снижается на целых 6-13% в условиях повышенной влажности (ECO₂).1,2

Эта закономерность неоднократно наблюдается в забое и связанных с ним полевых системах. Эмпирически исследования обогащения риса и пшеницы забоем / температурой свободного воздуха CO₂ (T-FACE) сообщают о снижении содержания железа и цинка в зерне при более высоком содержании co₂. Напротив, комбинированная обработка Co₂ и температурой может частично компенсировать некоторое снижение содержания минеральных веществ, но увеличивает риск накопления токсичных металлов, таких как кадмий и свинец, в зерне.1,3

С физиологической точки зрения эти результаты объясняются тремя основными механизмами.

• Повышенное содержание CO₂ снижает транспирацию в кронах деревьев, ослабляя массоперенос минералов в корни и вверх по ксилеме, тем самым снижая поглощение минералов всем растением.
• Увеличение синтеза углеводов под воздействием CO₂ опережает поглощение азота («эффект разбавления»), что приводит к снижению содержания белка в зерне и связанных с ним микроэлементов, таких как цинк и железо.
• Повышенное содержание CO₂ нарушает усвоение нитратов и другие метаболические процессы, связанные с азотом, которые зависят от железо-серных кофакторов ферментов, ограничивая загрузку флоэмы и перераспределение амино-N и связанных с ним микроэлементов в формирующиеся зёрна. Последние данные FACE-экспериментов с пшеницей подтверждают снижение содержания не только железа и цинка, но и витаминов и полифенолов, что связывает биохимические изменения со снижением антиоксидантной способности зёрен.1,2,3

Метаболиты стресса и вторичные соединения

В условиях жары и засухи растения перенаправляют углерод и энергию с роста на защиту, активируя пути синтеза вторичных метаболитов, которые дают фенольные соединения, флавоноиды и алкалоиды. Эти соединения нейтрализуют активные формы кислорода, стабилизируют клеточные мембраны и отпугивают травоядных и патогены. Связанные с климатом стрессовые факторы, такие как повышение температуры, изменение режима выпадения осадков, ультрафиолетовое излучение и повышенный уровень CO₂, могут повышать концентрацию отдельных антиоксидантов (например, фенольных кислот и флавонолов) или специфических алкалоидов с помощью факторов транскрипции, активируемых стрессом (например, факторов транскрипции с мотивом триптофан-аргинин-лизин-тирозин (WRKY), факторов транскрипции миелобластоза (MYB)).

Однако реакция зависит от вида и контекста: у одних растений наблюдается общее увеличение количества антиоксидантов, в то время как другие теряют общее количество фенолов или флавоноидов, несмотря на увеличение количества некоторых сильнодействующих компонентов (например, повышение уровня алоина в алоэ при засолении). Экспериментальные работы подтвердили, что такие факторы транскрипции, как WRKY, MYB, bZIP и bHLH, регулируют эти вызванные стрессом изменения, влияя на биологическую активность и химическую стабильность лекарственных и пищевых растений.4

Для питания человека эти изменения могут быть полезны: большее количество фенолов и флавоноидов может повысить антиоксидантную способность рациона, оказать противовоспалительное действие и защитить от кардиометаболических заболеваний; некоторые алкалоиды оказывают нейроактивное или противомикробное действие в составе рациона. Стресс может снизить урожайность, уменьшить содержание необходимых питательных веществ или изменить фитохимический состав в сторону соединений, которые имеют горький вкус, менее биодоступны или биоактивны в дозах, близких к токсичным.

Различия в зависимости от сезона и региона усложняют стандартизацию продуктов питания и лекарственных трав, а изменение их состава может повлиять на взаимодействие лекарственных средств и питательных веществ. Конечный эффект будет зависеть от вида растения, методов ведения сельского хозяйства и обработки после сбора урожая, что подчеркивает необходимость целенаправленного выращивания и контроля качества.

Стратегии адаптации сельскохозяйственных культур

Адаптация сельскохозяйственных культур сочетает в себе улучшенную генетику растений (зародышевую плазму) и оптимизированные условия окружающей среды. Биофортификация отдаёт предпочтение генотипам, которые способствуют усвоению питательных веществ за счёт формирования ризосферы, привлечения азотфиксирующих и фосфоросолюбилизирующих микроорганизмов, а выведение сортов, устойчивых к изменению климата, дополняет эту стратегию. Белок 9 (Cas9), ассоциированный с CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats), также известный как CRISPR-Cas9, позволяет точно редактировать гены, отвечающие за передачу сигналов в ризосфере и восприимчивость к внешним факторам.

У риса редактирование Oryza sativa Chitin Elicitor Receptor Kinase 1 (OsCERK1) и промоторов Oryza sativa Sugars Will Eventually be Exported Transporters (OsSWEET) обеспечивает устойчивость к Xanthomonas oryzae без потери урожайности, помогая стабилизировать поглощение питательных веществ в стрессовых условиях.

Дополнительные исследования показывают, как определённые корневые выделения (лимонная кислота, флавоноиды) привлекают полезные микроорганизмы, такие как Bacillus и Pseudomonas, усиливая круговорот питательных веществ и подавляя развитие болезней при различных режимах влажности.5

Принципы сельского хозяйства с контролируемой средой (Controlled Environment Agriculture, CEA) применимы к управлению водными ресурсами на полях, где метод попеременного увлажнения и высыхания (Alternate Wetting and Drying, AWD) снижает количество метаногенов, увеличивает количество нитрифицирующих бактерий и улучшает круговорот азота. Капельные системы также обогащают почву ризобактериями, способствующими росту растений (Plant Growth Promoting Rhizobacteria, PGPR), такими как Bacillus и Pseudomonas, тем самым поддерживая здоровье растений. Метод AWD позволяет сократить расход воды для орошения на 23–32 %, при этом повышая урожайность примерно на 6 %, что увеличивает эффективность орошения и рентабельность в условиях изменения климата. Биофортифицированные, устойчивые к стрессу генотипы, редактирование генов с помощью CRISPR-Cas9 и ирригация, основанная на CEA, в совокупности представляют собой набор инструментов, устойчивых к изменению климата, для сохранения плотности питательных веществ и урожайности в условиях ухудшения климата.5

Выводы

Долгосрочное снижение содержания питательных веществ, вызванное изменением климата, повлияет на продовольственную безопасность, так как в основных продуктах питания будет меньше белка, железа, цинка и витаминов группы B, а жара и засуха будут усиливаться. Люди, питающиеся неполноценно, сталкиваются с растущим риском развития анемии, задержки роста, нарушений когнитивных функций и метаболических заболеваний, так как плотность углеводов превышает плотность микроэлементов. Глобальная политика в области здравоохранения должна сочетать меры по смягчению последствий изменения климата с обеспечением устойчивости к дефициту питательных веществ, включая биообогащение сельскохозяйственных культур, диверсификацию продовольственных систем, рациональное использование почвы и воды, а также обогащение продуктов питания там, где это необходимо.

Интеграция управления ризосферой микробиомом и диверсификация сельскохозяйственных культур могут компенсировать потери питательных веществ и при этом сократить выбросы парниковых газов в сельскохозяйственных системах. Мониторинг должен отслеживать плотность питательных веществ, а не только их количество, и связывать сельское хозяйство с программами по питанию. Торговля, системы социальной защиты и финансирование должны отдавать приоритет устойчивым культурам с высокой плотностью питательных веществ, чтобы поддерживать здоровье обмена веществ на протяжении многих поколений.

Ссылки

1. Семба Р. Д., Аскари С., Гибсон С., Блум М. У. и Кремер К. (2022). Потенциальное влияние изменения климата на доступность продуктов, богатых микроэлементами. Достижения в области питания. 13(1): 80–100. DOI:10.1093/advances/nmab104, https://academic.oup.com/advances/article/13/1/80/6441392
2. Экеле, Дж. У., Уэбстер, Р., Перес де Эредиа, Ф., Лейн, К. Э., Фадель, А. и Саймондс, Р. К. (2025). Текущее влияние повышенного содержания CO2 на качество питательных веществ в сельскохозяйственных культурах: обзор на примере пшеницы. Биология стресса. 5(1). DOI:10.1007/s44154-025-00217-w, https://link.springer.com/article/10.1007/s44154-025-00217-w
3. Сантос К. С., Хабьяримана Э. и Васконселос М. В. (2023). Влияние изменения климата на питательный состав основных продуктов питания и роль диверсификации в повышении устойчивости продовольственных систем. Frontiers in Plant Science. 14. DOI:10.3389/fpls.2023.1087712, https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fpls.2023.1087712/full
4. Алум, Э. У. (2024). Изменение климата и его влияние на профиль биологически активных соединений в лекарственных растениях: последствия для глобального здравоохранения. Сигнализация и поведение растений. 19(1). DOI:10.1080/15592324.2024.2419683, https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/15592324.2024.2419683
5. Аминуррасид, А. Х. Б., Мохд Икмал, А., и Надараджа, К. К. (2025). Связь между рисом и микроорганизмами: повышение урожайности с помощью почвоведения. Рис. 18(1). DOI:10.1186/s12284-025-00809-0, https://thericejournal.springeropen.com/articles/10.1186/s12284-025-00809-0