Посуха буде ставати все більш вагомим і зловісним чинником українського сільського господарства – це зрозуміло всім. Традиційні шляхи для збільшення посухостійкості всього агропромислового комплексу, окремих господарств чи навіть культур зрозумілі – вони дорогі, довгі та не обіцяють революційних змін, лише зменшення збитків. Проте чи існують напрями подолання проблеми, навіть екзотичні, які зможуть у разі успіху запропонувати яскравий якісний стрибок?

Багаторічні зернові

Приблизно 50 % калорій і білка людині надходить від безпосереднього споживання однорічних зернових культур. По суті, саме вони диктують сучасну модель землекористування в агровиробництві. Проте системи вирощування однорічних зернових ви­явилися особливо вразливими до підвищення температур і дедалі частіших екстремальних погодних умов.

Ідея, що варто вирощувати багаторічні зернові, може видатися напрочуд дивною – адже такої промислової культури ніколи в історії не існувало. Проте якщо уявити подібну рослину, то це знімає безліч проблем: вузьке вікно посіву, закривання ґрунту (такий собі No-till, доведений до абсолюту), радикальне зменшення витрат на підготовку ложа та сівби тощо. Вона б пропонувала низку екологічних переваг, зокрема збереження ґрунту, утримання поживних речовин і покращення водозабезпечення. Багаторічні зернові культури можуть бути стійкішими до посухи, адже здатні використовувати воду протягом більшої частини вегетаційного періоду. До того ж з погляду економіки врожаю, рослина витрачала б в один сезон значно менше інвестицій у розвиток кореневої системи – бо це багаторічний актив.

Настільки очевидні гіпотетичні перспективи неодноразово навертали вчених до спроб створити багаторічники з традиційних однорічних культур. Найвідоміший у нас приклад – роботи Миколи Цицина впродовж 1920 – 1930-х років у СРСР, коли від схрещування пшениці з пирієм селекціонер отримав новий вид пшениці (Triticum agropynotriticum). Утім, гібриди з дикоросами часто мали нестабільний мейоз, низьку фертильність, дрібне зерно, а більшість форм фактично втрачала перевагу багаторічності вже через 2 – 3 роки.

Не мали свого часу успіху й світові спроби створити багаторічну кукурудзу, гібридизуючи Zea perennis, Zea diploperennis, Tripsacum dactyloides та інші. Як не дивно, гібриди часто не переживали саме посуху й нестабільні умови.

Новий старт почався вже XXI ст. з новими генетичними інструментами. Китайським ученим удалося створити надзвичайно складний тригібрид, схрестивши спочатку тетраплоїдну кукурудзу з тетраплоїдним диким родичем Tripsacum dactyloides, а потім один із генотипів гібрида з 56 хромосомами схрестили з тетраплоїдним теосинтом, Zea perennis. Отриману в результаті рослину з 74 хромосомами назвали Tripsazea. Це ще далеко не багаторічна кукурудза, але генетичний міст, який дає змогу поєднати геноми дуже різних рослин і почати використовувати багаторічність у дальшій селекції кукурудзи.

Однак є культура, яка зайшла вже значно далі. Американці відмовилися від ідеї прищепити пшениці багаторічність через гібридизацію з пирієм, натомість вирішили просто проводити селекцію самого пирію Thinopyrum intermedium на насіння. Культура вже навіть отримала торгову назву – Kernza.

Розробка триває вже дуже довго – перші досліди почалися 1982 року з оцінки 100 видів багаторічних трав. І все ж це водночас надзвичайно мало для доместикації – якісь чотири десятиліття проти тисяч років традиційних зернових. Тому поки що врожайність не вражає: у дослідах 2026 року у Вайомінґу Kernza давала 286 кг / га, тоді як озима пшениця в тому самому господарстві в тих самих умовах – 2172 кг / га. Поки що найкращі результати Kernza ледве перевищують 1 т / га, і то лише в перший рік, а далі стрімко падають. Утім, після зернового збору дослідні господарства отримували в середньому ще 6 т / га кормової маси – а це істотний вплив на економіку.

Зерно містить значно більше білка, ніж пшениця (до 20 %), і 72 % вуглеводів. Уміст крохмалю лише 47 %, що помітно нижче, ніж в інших злаках, але загальний уміст харчових волокон вищий (18 – 22 %). Вироби з Kernza з’явилися в меню місцевих ресторанів Мінн­есоти з 2013 року. Перше пиво, випущене на національному рівні, дебютувало 2016 року, а 2019-го була вироблена перша партія пластівців для сніданку.

Врожайність зерна Kernza продов­жує зростати в середньому на 58 кг / га за цикл. З такими темпами паритет урожайності з пшеницею може встановитися вже через 25 років.

В олійних є свій аналог – силфій (Silflower, Silphium integrifolium), рослина, яку зараз активно досліджують як потенційну багаторічну. Очікується, що силфій зможе залишатися на одному полі понад 10 років без пересіву. Врожайність також ще дуже далека від технологічної: найкраща цифра – це 1,65 т / га насіння, 381 кг / га олії та 10,5 т / га біомаси в перший рік, з тенденцією до зниження. Існує певний парадокс – на одну рослину силфій може виглядати навіть краще соняшнику, але на гектарі він програє через погану архітектуру посіву, низьку оптимальну густоту, нерівномірне дозрівання та обсипання. Це все ще дуже рання в плані селекції культура, але перспективи в неї точно є.

Створення багаторічної сої з біологічного погляду набагато складніша задача, ніж багаторічної зернової культури. Проте тут також уже є спроби роботи з австралійськими дикими багаторічними родичами. Врешті-решт, у нас є досвід доместикації люцерни – залишилося лише провести відбір на боби, а не на зелену масу.

Чи потовстішає пшениця

Існує знаменитий золотий грааль біотехнологів: спроба перенести еволюційно пізніший та ефективніший С4-фотосинтез (як у кукурудзи) в рослини з менш продуктивним С3 (пшениця). Прогрес повільний, кінця шляху й не видно, але є ще більш амбітна та революційна задача з не менш неймовірними перспективами у разі успіху – навчити наші традиційні культури CAM-фіксації вуглекислого газу.

CAM (Crassulacean Acid Metabo­lism, кислотний метаболізм товстянкових) зустрічається переважно у сукулентів, здатних виживати в умовах суворої посухи й екстремально високих температур.

У звичайної пшениці, до прик­ладу, вдень продихи відкриті, фермент Rubisco може фіксувати вуглекислий газ – що й робить. Проте водночас культура віддає воду. І цього ніяк не позбутися, адже CO2 заходить саме тоді, коли рослині сонячне світло потрібне для фотосинтезу. Лист змушений відкривати продихи саме в найтеплішу й найсухішу частину доби.

У CAM-рослин продихи відкриваються лише вночі, а вуглекислий газ захоплюється іншим ферментом – PEPC. Вуглець конвертується в органічні кислоти (зокрема оксалоацетат) і зберігається у вакуолях. Удень продихи закриваються, органічні кислоти розщеплюються, CO2 вивільняється всередині листка, де за класичною схемою його захоплює Rubisco для фотосинтезу. Відповідно, CAM-рослини на одиницю отриманого вуглецю витрачають набагато менше води.

На жаль, додати лише один новий фермент PEPC у звичайні рослини абсолютно недостатньо. CAM-механізм очікувано складний і потребує багато компонентів, що вмикають його вночі, сприяють перетворенню оксало­ацетату, забезпечують декарбоксилювання накопичених запасів удень. Утім, 2025 року була опуб­лікована робота, де дослідники створили в рисі синтетичний аналог CAM. Для цього довелося ввести не один ген, а певний набір модулів. Рослина показала приріст фотосинтетичної швидкості (адже вуглець додатково накопичувався вночі) та зростання врожаю й біомаси на 20 % у польових дослідах. Утім, не вдалося досягти бажаного – ефективність використання вологи й посухостійкість у цих рослин не покращилися!

Це дуже цікаво і показує складність роботи. Дослідникам удалося запустити поглинання та накопичення вуглецю вночі, але механізм роботи продихів – це незалежна система. У згаданого рису вони так і залишалися відк­риті вдень. Навіть гірше: запропонований ученими варіант змусив рослину швидше втрачати воду – вона раніше від контролю скручувала листки під час посухи. CAM-метаболізм зовсім не дорівнює CAM-фізіології!

І проблема виявилася не лише в продихах. Рису також не було куди накопичувати захоплений вуглець. Адже традиційні CAM-рослини мають величезні вакуолі та значний об’єм для накопичення. У рису просто немає таких структур.

Тобто задача має як мінімум три рівні. Мало перенести CAM-мета­болізм, потрібно створити під нього відповідну циркадну регуляцію продихів і змінити саму анатомію листка.

Втім, нам не потрібен в умовній пшениці CAM-режим увесь час – лише на період посухи. Однак це не спрощує, а ускладнює задачу. Адже необхідний ще й механізм, коли водний стрес починає запускати специфічну відповідь. Фактично задача полягає не у звичайній трансгенній модифікації рослини, а в системній синтетичній біології – механізми доведеться створювати й налаштовувати «руками». Це максимально складна робота, але вже те, що вчені знають, що робити, обіцяє революційні зміни – хоча й не скоро.