Сегодня мировое производство кукурузы превысило отметку в один миллиард тонн. А еще пятнадцать лет назад этот показатель составлял 600 млн тонн. Благодаря чему произошел такой прорыв и какие предпосылки дальнейшего роста урожайности?
Кукуруза - одна из культур, урожайность которой неизменно растет во всех странах мира. Вместе с ней наращивается и мировое производство. Не сбавляя темпов роста, с начала 2000-х годов оно увеличилось с 600 млн т до более 1 млрд т в 2016/2017 году. Такой уровень производства обусловлен не только упомянутым выше ростом урожайности кукурузы, но и расширением площадей под этой культурой.
Урожайность кукурузы и причины продолжения ее роста
Чем ниже начальный уровень урожайности культуры, тем выше показатели темпов ее роста. Этот принцип действует в развивающихся странах, где сначала урожайность продовольственных культур была низкой и нестабильной, но тенденция к росту повлияла и на мировые показатели. Ситуация отличалась в Украине и России. К началу 2000-х здесь производили 3,848 и 1,489 млн т зерна кукурузы соответственно. По результатам 2016/2017 хозяйственного года производство в этих странах достигло 27,0 и 15,5 млн т. С таким показателем Украина приблизилась к пятерке крупнейших производителей кукурузы в мире, потеснив даже Мексику (24,5 млнт). Рост производства зерна кукурузы связан как с увеличением площадей под культурой, так и с повышением ее урожайности. Площади под кукурузой за период с 2006 по 2016 год в Украине увеличились с 1,777 до 4,25 млн га. Урожайность тоже выросла: в среднем с 3,6-3,7 до 4,93-5,71 т / га и уже приближается к средним мировым показателям - 5-7 т / га.
С этой средней величиной сравнима и урожайность в странах Центральной Европы. Показатель за последние десять лет просто взлетел. И это несмотря на некоторые неблагоприятные факторы континентального климата. Рост урожайности кукурузы в странах Центральной Европы был обусловлен совершенствованием агротехнических приемов в комплексе с прогрессом селекции.
В странах-лидерах по производству кукурузы (США, страны Западной Европы) урожайность достигает 10 т / га. Здесь надо говорить об интенсивном способ ведения земледелия, что способствует дальнейшему росту урожаев - ежегодно более чем на 1%.
В условиях обеспеченности влагой летом во многих зонах выращивания, кукуруза демонстрирует высокие показатели благодаря компетентности производителей, эффективности применяемой технологии и прогресса генетики. Рост показателей продолжится и в ближайшие годы. Почему? Во-первых, границы генетических возможностей кукурузы еще не достигнуты. Самые высокие урожаи, собранные сельхозпроизводителями, например, в 2015 году составили 18 т / га во Франции, значительно меньше 25 т / га, которые удавалось собрать в рамках конкурсов американских фермеров (по данным FNPSMS).
Во-вторых, кукуруза - показательный пример улучшения гибридов. Для этих целей в мире используются все известные на сегодня ресурсы биотехнологии, значительные инвестиции частного и государственного секторов исследований. Гибридный характер кукурузы - преимущество, способствующее раскрытию ее потенциала при условии достаточной генетической внутривидовой вариативности, что позволяет максимально использовать эффект гетерозиса. Именно гибридный характер культуры побуждает сельхозпроизводителей покупать семена кукурузы ежегодно, оказывая тем самым обратное «техническое» давление на селекционные фирмы, которые вынуждены постоянно улучшать сорта и гибриды, которые поставляются на рынок.
И в-третьих, глобальное потепление благоприятно сказывается на распространении кукурузы. Для этой культуры, которая происходит из тропиков, характерен метаболизм С4, которому больше, чем, например, зерновым культурам, подходят высокие температуры. Здесь важно не забывать о сохранении постоянного прогресса в селекции и усиления устойчивости к водному стрессу. К тому же глобальное потепление расширяет ареал выращивания кукурузы, открывает возможности продвижения дальше на север Европы: среднее повышение температур на 1 ° С отодвигает границы зоны выращивания культуры на 200 км на север.
Последствия глобального потепления
Глобальное потепление негативно повлияло на урожайность большинства сельскохозяйственных культур, но не сахарной свеклы и кукурузы. Это обусловлено несколькими факторами. Во-первых, из-за повышения средних температур за последние двадцать лет изменились характеристики групп спелости гибридов: для очень позднеспелого гибрида, который высевают 20 апреля в северном полушарии, сроки цветения сократились на 12-15 дней, а сроки созревания - на 18-27 дней. Более ранние даты наступления различных фаз вегетации могут выражаться в получении дополнительного урожая при использовании более позднеспелых гибридов или в экономии средств на сушке благодаря низкой влажности в период уборочной кампании. Это объясняет высокие темпы роста урожаев, в частности, на севере Европы.
Но есть и обратная сторона медали: прогресс генетики сопровождается ростом требований к условиям выращивания в южных регионах и приводит к необходимости дополнительного орошения. Во Франции дополнительные потребности в ирригации составляют 33 мм воды летом. Селекционные достижения частично компенсируют это, и генетика прогрессирует одинаково быстро как для орошаемой кукурузы, так и для гибридов, выращиваемых без орошения.
Негативного влияния потепления пытались избежать за счет более ранних посевов в Западной Европе и в Италии. Такая стратегия позволяет в более сухие весны сеять устойчивые к холоду гибриды, приближать дать цветения (период наибольшей уязвимости), уборочной кампании, избегая, таким образом, высоких температур августа, и возможности поражения стеблевой бабочкой в конце вегетативного цикла. В условиях континентального климата серьезным риском является высокие температуры (более 38 ° С), которые обычно сопровождаются сильным водным стрессом в течение длительного времени в период цветения, что приводит к потерям урожая.
Изменения климата влияют не только на культуры, но и на биологию видов и количество биологических вредителей: насекомых и сорняков.
Действительно, давление вредителей с каждым годом усиливается: количество поколений точильщиков увеличивается, они расширяют географию своего распространения (Ostrinia nubilalis, Нeliiothis).
Еще один симптом - изменение состава дикорастущей флоры, особенно увеличение количества многолетних растений, чему способствует удлинение периода вегетации. Известно, что в засушливое лето и осенью сорняки и некоторые вредители (как, например, цикадки или кукурузный корневой жук) наносят более ощутимый ущерб. Но засушливые времена года действуют и во благо: сокращают риск появления некоторых грибных заболеваний. Изменения в севообороте также не проходят бесследно.
Геномной селекция
В последние пятидесят лет генетики работали над увеличением урожайности и характеристиками, гарантирующими успешность агротехнологий, такими как устойчивость к полеганию, стабильность урожая, эффективность в условиях высокой плотности посевов, устойчивость к заболеваниям листьев, быстрая влагоотдача в конце цикла вегетации. Введение биотехнологических схем селекции ускорило процесс выведения новых гибридов, а также в значительной степени способствовало прогрессу последних лет.
Идентификация сегментов ДНК генома и выявление нужных генов с помощью маркеров и гаплоидизации позволяет воспроизвести индивидуум на основе гаплоидных клеток и затем удвоить количество хромосом, быстро приводя к получению полностью гомозиготного индивида. Благодаря этому за последние три десятилетия удалось сократить время вывода гибридов. Теперь нет необходимости проходить через последовательные поколения обратного скрещивания на полях. Этому ускорению способствовало также стремление производителей покупать ежегодно все более производительные гибриды.
Изучение генома превратилось сегодня в рутинную работу с низкой себестоимостью. Ускорение циклов вывода новых гибридов, вариабельность за счет создания различных комбинаций генов позволяют полностью использовать эффект гибридизации, ставший мощным двигателем прогресса генетики. Благодаря масштабности расчетов, возможности хранения данных и обмена можно обрабатывать огромные массивы информации и планировать наиболее эффективные комбинации.
Глобальная стратегия геномной селекции интегрирует современные технические знания и ноу-хау. Она дает возможность существенно улучшить такие сложные функции, как устойчивость к водному стрессу и способность восстанавливаться после него. Продуктивное усвоение воды и азота при метаболизме является еще одним преимуществом. Эти качества обеспечиваются одновременно многими генами, и улучшить их можно только с помощью глобальных подходов.
Поскольку в мире основная масса кукурузы выращивается на неорошаемых полях, устойчивость к водному стрессу является на сегодня основным направлением частных и государственных исследований. В странах, которые применяют ирригацию, другой обязательной задачей стало повышение эффективности использования воды при орошении (more crop per drop). Кукуруза имеет масштабное преимущество в совершенствовании гибридов: ее относительная устойчивость к болезням позволяет селекционерам сосредоточиться на характеристиках урожайности, то есть им не приходится «гоняться за двумя зайцами». В процессе геномной селекции высокоскоростное генотипирование дополняется проверкой в поле нужных качеств гибридов. Эта «квалификационная» фаза, называется фенотипирования, проводится в условиях автоматического слежения в теплицах с климат-контролем и позволяет оценить поведение растений перед их посевом в поле. На завершающем этапе сами сельхозпроизводители определяют и оценивают качества гибридов, на которые они рассчитывают и которые им необходимы уже непосредственно в условиях выращивания на полях.
Кроме урожайности, в течение последних ста лет ученые занимались улучшением основных агротехнических характеристик. За тридцать лет они превратили кукурузу в очень надежную культуру, прочную и устойчивую к механическим воздействиям. Сейчас от селекции ожидают улучшения более сложных характеристик, касающихся метаболизма растения. Внимание приковано к эффективности усвоения воды и азота, устойчивости к стрессу, вызванного погодными условиями.
Прогресс продолжается
Прогресс генетики не исключает совершенствования приемов агротехники. Точные технологии в сельскомхозяйстве дают возможность более рационально использовать земельные площади (GPS), экономить семена,гербициды, удобрения. Считается, что точное земледелие вскоре сможет обеспечить 10% увеличениеурожайности.
Модернизация почвообрабатывающих и высевающих агрегатов и их выбор в соответствии с необходимой технологией; возможность вести наблюдение за посевами для лучшей и своевременной диагностики (сети наблюдения, дроны) работа над увеличением плотности посевов и уменьшением междурядий (twin row - сдвоенные строки) - все технологии объединяются для более эффективного производства кукурузы. В долгосрочной перспективе, ориентируясь на достижение биотехнологии и знания о функционировании растений, можно будет совместить методики химической и биологической защиты растений.
При таких предпосылках средний мировой показатель урожайности в будущем вырастет еще больше. Итак, постоянный процесс улучшения растений и агротехники, начавшийся для кукурузы более 7000 лет назад, будет продолжаться. На базе агротехнологий и генетики может быть осуществлен переход к агроэкологии. И если нормативные и политические ограничения не встанут на пути развития генетики и не будут препятствовать внедрению новых возможностей производства, кукуруза получит все шансы стать растением XXI века.
