Роль агрохимии в обеспечении мирового населения растительным белком

Мировой дефицит белка и задачи растениеводства

Проблема нехватки пищевого белка в мире с каждым годом обостряется, перерастая из экономической в социальную. Около половины населения Земли испытывает белковую недостаточность. Поскольку продукты животного происхождения доступны далеко не всем, ключевым способом решения проблемы остается повышение продуктивности растениеводства.

• Мировой дефицит белка — 10–25 млн т в год
• Среднее потребление на человека — 60 г в сутки (при норме 70 г)
• Население с дефицитом белка — около 1/2 от 6 млрд жителей планеты

Физиологическая потребность человека в белке зависит от возраста, физической нагрузки и состояния здоровья. В среднем она составляет 60–100 г в сутки, или 12–15% от общей калорийности рациона (при этом на белки животного и растительного происхождения должно приходиться по 6–8% энергии). Суточные нормы потребления белка для различных групп населения и при разных состояниях организма приведены в таблице.

Для взрослого человека средняя суточная потребность составляет 1 г белка на 1 кг массы тела. Детям требуется больше — от 1,05 до 4,00 г на 1 кг веса в зависимости от возраста. Для 30-летнего мужчины необходимый уровень потребления в пересчете на азот равен 9,0–9,2 г в сутки на 1 кг массы тела.

Наибольший сбор белка и ценного лизина обеспечивают бобовые культуры. В севообороте для этих целей наиболее эффективны следующие культуры:

• соя;
• нут;
• чечевица;
• горох;
• люпин.

Однако бобовые не для всех народов являются традиционными, а почвенно-климатические условия часто мешают расширению их посевов. Поэтому агроному необходимо работать над увеличением содержания белка во всех возделываемых культурах, включая злаковые и масличные.

Управление качеством урожая через систему минерального питания

Минеральное питание растений напрямую влияет как на количество белка в урожае, так и на его качественные показатели. Под действием удобрений меняется аминокислотный состав и содержание свободных аминокислот. Потребность в элементах питания меняется в зависимости от фазы вегетации, что нужно учитывать при планировании обработок.

Фосфор необходим растениям сразу после появления всходов. При его низком содержании в почве требуется внесение гранулированного суперфосфата в рядки, что ускоряет развитие корней. Второй пик потребности в фосфоре приходится на фазу цветения и формирования товарного урожая, когда элемент участвует в синтезе белка.

Калий поглощается растениями практически весь период вегетации, но наиболее интенсивно — до цветения. Этот элемент активизирует ключевые жизненные процессы в растительном организме. Своевременное калийное питание оказывает положительное влияние на конечное содержание белка в продукции.

Сырая клейковина представляет собой белковый сгусток, который остается после отмывания теста водой. Она состоит на 2/3 из воды и на 1/3 из сухого вещества, представленного преимущественно труднорастворимыми белками. По качеству клейковину делят на три группы: I (хорошая), II (удовлетворительная) и III (неудовлетворительная).

В зависимости от содержания белка и клейковины мягкую пшеницу делят на три основные группы качества.

Помимо азота, фосфора и калия, для формирования белкового комплекса растениям требуются другие мезо- и микроэлементы. В систему питания культур необходимо включать кремний, кальций, магний, серу, железо, а также микро- и ультрамикроэлементы. Их сбалансированное поступление определяет качество будущего белка.

Традиционная селекция и слияние протопластов требуют слишком много времени и не всегда приводят к улучшению хозяйственно-ценных признаков. Они не успевают за ростом населения Земли, которое к 2050 году достигнет 11 миллиардов человек. Быстро решить проблему дефицита растительного белка позволяют методы генной инженерии. В их основе лежит тотипотентность растений — способность растительных клеток и протопластов развиваться в полноценный организм после внедрения целевых генов с заданными свойствами.

Практическое применение трансгенных технологий в растениеводстве

За последние два десятилетия генная инженерия стала важнейшим инструментом улучшения качества урожая. Перенос генетического материала выполняют двумя основными способами: векторным (с использованием агробактерий и вирусов) или прямым переносом ДНК.

Весь процесс трансформации проходит в три последовательных этапа:

1. Выделение целевого гена из донорской ДНК.
2. Получение рекомбинантных (гибридных) молекул ДНК.
3. Введение их в живые клетки модифицируемого растения для получения новых признаков.

Сегодня технологии наиболее активно применяют на сое, пшенице, кукурузе, томатах, сахарной свекле, хлопчатнике и рапсе. Модификация позволяет точечно корректировать аминокислотный состав зерна. Например, белки в эндосперме злаков бедны лизином, триптофаном и метионином, а запасные белки бобовых культур — метионином. Введение дополнительных кодонов лизина в гены запасных белков (проламинов) полностью решает эту проблему.

В опытах уже охарактеризованы десятки генов запасных белков и клонированы:

• гордеины ячменя;
• глиадины и глютенин пшеницы;
• зеины кукурузы;
• оризенины риса.

Трансформация пшеницы модифицированным геном одной из субъединиц глютенина активирует синтез этого белка, что значительно улучшает хлебопекарные свойства муки. Практические разработки уже внедрены во многих странах: растут площади под трансгенной соей, рисом, картофелем, малиной и клубникой. В США с использованием генетически измененной сои выпускают около 3000 пищевых продуктов — от детских каш и соусов до супов и консервов.