Agro-ecological prospects of the perennial grain crops use in Ukraine and abroad
##plugins.themes.bootstrap3.article.main##
Анотація
Introduction. Food security and agriculture are turning into an era characterized by scarce and depleted resources, climate change, and price volatility. Modern agrarian technologies require excessive consumption of water, synthetic pesticides, mineral fertilizers, produce increased CO² emissions, disrupting natural biological processes.
In contrast, perennial grain crops, unlike annual ones, can improve soil structure, are resistant and adapted to pathogens, pests and climate change, mitigate anthropogenic consequences and have significant potential as a food and feed crop. Perennial grain crops are an alternative to the paradigm shift in agriculture because they have considerable potential for integrating into production systems.
Topicality of the theme. Climate change has led to problems related to the stability of agriculture, raising concerns about the future of global food security. Therefore, the global goals of transforming the world include: hunger extermination and development of agriculture, climate change mitigation, affordable and clean energy. In 2018, 42 of Europe's largest agricultural areas can be found in Ukraine - 35.9 million hectares of which over 14 million hectares are occupied by traditional crops, but according to the Global Food Security Index (GFSI) in 2018, Ukraine is ranked only 63rd among 113 countries.
Nowadays, research on the creation and study of technologies for growing and using perennial crops is being conducted in the world: wheat, rye, sunflower, rice, sorghum, which can become an economic and environmental alternative in agriculture.
The purpose of the study is to theoretically substantiate the agro-ecological prospects of growing and using perennial wheat, taking into account their ecological and biological characteristics, as an alternative to traditional grain crops in Ukraine.
Material and methods. Common scientific methods are used: analysis, synthesis, induction and deduction, abstraction and generalization. Literary sources from the chosen field of research served as the material.
Results. Perennial cereals, as an alternative to traditional cereals, have been widely studied throughout the world for a long time. The result of these studies is the creation of hybrids of perennial grain crops Kernza® and Owl. Potential for the use of perennial grain crops, both present and in the selection process, is not fully disclosed, but at this stage it is possible to clearly identify the directions of their use: obtaining organic products, through the use of soil potential, features of the root system of perennial grain crops, resistance to pathogens and pests, droughts and freezing temperatures; in the food industry for the production of bread, confectionery, flakes, pasta, beer, alcoholic drinks; in the medical industry for the manufacture of biologically active additives with high lutein content, as a carotenoid important in the prevention of the eye, heart, mammary glands diseases, strengthening the immune system and reducing the risk of cancer; in fodder production the inclusion of grain as a high-protein component in the feed ration of livestock and poultry, for the production of green mass, hay, for grazing; inclusion of perennial grain crops in the form of green mass or hay in the list of renewable plant raw materials for biogas production.
Conclusions. At the present stage of development, perennial grain crops can become a source of organic production due to the features of the root system of plants, resistance to pathogens and pests, drought and sub-zero temperatures.
They are an alternative to traditional grain crops and have prospects for use in various industries, such as food, medical, feed and biogas.
##plugins.themes.bootstrap3.article.details##
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з такими умовами:
1. Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
2. Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
3. Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи.
УГОДА
ПРО ПЕРЕДАЧУ АВТОРСЬКИХ ПРАВ
Я, автор статті/Ми, автори рукопису статті _______________________________________________________________________
у випадку її прийняття до опублікування передаємо засновникам та редколегії наукового видання «Вісник Черкаського Університету: Серія Біологічні науки» такі права:
1. Публікацію цієї статті українською (англійською) мовою та розповсюдження її друкованої версії.
2. Розповсюдження електронної версії статті через будь-які електронні засоби (розміщення на офіційному web-сайті журналу, в електронних базах даних, репозитаріях, тощо).
При цьому зберігаємо за собою право без узгодження з редколегією та засновниками:
1. Використовувати матеріали статті повністю або частково з освітньою метою.
2. Використовувати матеріали статті повністю або частково для написання власних дисертацій.
3. Використовувати матеріали статті для підготовки тез, доповідей конференцій, а також усних презентацій.
4. Розміщувати електронні копії статті (зокрема кінцеву електронну версію, завантажену з офіційного web-сайту журналу) на:
a. персональних web-pecypcax усіх авторів (web-сайти, web-сторінки, блоги, тощо);
b. web-pecypcax установ, де працюють автори (включно з електронними інституційними репозитаріями);
с. некомерційних web-pecypcax відкритого доступу (наприклад, arXiv.org).
Цією угодою ми також засвідчуємо, що поданий рукопис відповідає таким критеріям:
1. Не містить закликів до насильства, розпалювання расової чи етнічної ворожнечі, які викликають занепокоєння, є загрозливими, ганебними, наклепницькими, жорстокими, непристойними, вульгарними тощо.
2. Не порушує авторських прав та права інтелектуальної власності інших осіб або організацій; містить всі передбачені чинним законодавством про авторське право посилання на цитованих авторів та / або видання, а також використовувані в статті результати і факти, отримані іншими авторами чи організаціями.
3. Не був опублікований раніше в інших видавництвах та не був поданий до публікації в інші видання.
4. Не включає матеріали, що не підлягають опублікуванню у відкритій пресі, згідно з чинним законодавством.
____________________ ___________________
підпис П.І.Б. автора
"___"__________ 20__ р.
Посилання
United Nations Educational, Scientific and Cultural Organization. (2017). Education for Sustainable Development Goals: learning objectives. Retrieved from https://unesdoc.unesco.org/ark:/48223/pf0000247444
Ministry of Economic Development and Trade of Ukraine. (2017). Sustainable Development Goals: Ukraine. National report 2017. Retrieved from http://www.me.gov.ua/ (in Ukr).
Borodina, O.M. (Eds.), & Shubravska, O.V. (Eds.). (2018). Agrarian and Rural Development for Growth and Renewal of the Ukrainian Economy: Scientific Report. Kyiv: NAS of Ukraine, 152. (in Ukr).
The Economist Intelligence Unit. (2019). EIU Global Food Security Index – 2018. Retrieved from https://foodsecurityindex.eiu.com/
Agricultural Onesoil Map. (2019). Wheat data for the year 2018 Ukraine, all regions. Retrieved from https://map.onesoil.ai/2018/ua#2/44.35/-43.66 (in Bel).
State Statistics Service of Ukraine. (2019). Cultivation Lands of Agricultural Crops for Harvest in 2018 . Retrieved from www.ukrstat.gov.ua › operativ › operativ 2018. (in Ukr).
Bell, L.W., Wade, L.J., & Ewing, M.A. (2010). Perennial wheat: a review of environmental and agronomic prospects for development in Australia. Crop Pasture Science, 61(9), 679–690. doi: 10.1071/CP10064
Sipos, T., & Halasz, E. (2007). The role of perennial rye (Secale cereale x S. montanum) in sustainable agriculture. Cereal Research Communications, 35 (2), 1073–1075. doi: 10.1556/CRC.35.2007.2.227
Pearlstein, S.l., Felger, R.S., Glenn, E.P., Harrington, J., Al-Ghanem, K.A., & Nelson, S.G. (2012). Nipa (Distichlis palmeri): A perennial grain crop for saltwater irrigation. Journal of Arid Environments, 82, 60–70. doi: 10.1016/j.jaridenv.2012.02.009
Kantar, M.B., Betts, K., Michno, J.M., Luby, J.J., Morrell, P.l., Hulke, B.S., … Wyse. D.L. (2014). Evaluating an interspecific Helianthus annuus x Helianthus tuberosus population for use in a perennial sunflower breeding program. Field Crops Research, 155, 254–264. doi: 10.1016/j.fcr.2013.04.018
Shim, J. (2012). Perennial rice: improving rice productivity for a sustainable upland ecosystem. SABRAO Journal of Breeding and Genetics, 44 (2), 191–201.
Hu, F.Y., Tao, D.Y., Sacks, E., Fu, B.Y., Xu, P., Li, J., …Li, Z. K. (2003). Convergent evolution of perenniality in rice and sorghum. Proceedings of the National Academy of Sciences USA, 100 (7), 4050–4054. doi: 10.1073/pnas.0630531100
Tsitsin, N. V. (1978). The perennial wheat. Moscov.: Science. 288 (in Rus).
Medvedeva, A. (2019, May 14). The world needs healthy bread – Russian scientists have developed purple wheat and the unique SOVA variety. Agroxxі. Agro-industrial Portal. Retrieved from https://www.agroxxi.ru/ (in Rus).
Jackson, W. (1980). New roots for agriculture. University of Nebraska Press. 150.
Cox, T.S, Van Tassel, D.L., Cox, C.M., & DeHaan, L.R. (2010). Progress in breeding perennial grains. Crop and Pasture Science, 61(7), 513–521. doi:10.1071/CP09201
Hayes, R.C., Wang, S., Newell, M.T., Turner, K., Larsen, J., Gazza, L., … Li, G.D. (2018). The Performance of Early-Generation Perennial Winter Cereals at 21 Sites across Four Continents. Sustainability, 10(4), 1124. doi.:10.3390/su10041124.
Upelniek, V.P., Belov, V.I., Ivanova, L.P., Dolgova, S.P., & Demidov, A.S. (2012). The legacy of academician N.V. Tsitsin – the current state and prospects of using the collection of intermediate wheatgrass hybrids. Vavylovskyi zhurnal henetyky y selektsyy (Vavilovskyi Journal of Genetics and Selection), 16(3), 667–674. (in Rus).
Jaikumar, N.S., Snapp, S.S., Murphy, K, & Jones, S.S. (2012). Agronomic аssessment of рerennial wheat and perennial rye as cereal crops. Agronomy Journal, 104(6), 1716–1726. doi: 10.2134/agronj2012.0291.
Murphy, K.M., Lyon, S.R., Balow, K.A., & Jones, S.S. (2010). Post-sexual cycle regrowth and grain yield in Thinopyrum elongatum x Triticum aestivum amphiploids. Plant Breed, 129(5), 480–483. doi: 10.1111/j.1439-0523.2009.01712.x
Hayes, R.C., Newell, M.T., DeHaan, L.R., Murphy, K.M., Crane, S., Norton, M.R., … Larkin, P.J. (2012). Perennial cereal crops: An initial evaluation of wheat derivatives. Field Crops Research, 133, 68–89. doi: 10.1016/j.fcr.2012.03.014
Barylnik, K. G., Kuznetsova, L. I., Lavrenteva, N. S., Savkina, O. A., & Chikida N. N. (2016, March). Comparative characteristic of bakery properties of wheat and wheat-couch grass hybrid. Poster session presented at the VI International Scientific and Technical Conference "Kazakhstan-Refrigeration Equipment 2016". Almaty, 19‒23. (in Rus).
The Land Institute. (2017). A new grain – Kernza – finds its way into products. Retrieved from https://landinstitute.org/media-coverage/new-grain-kernza-finds-way-products/
The Future Market. (2019) Kernza Krunch — the future market. Retrieved from http://thefuturemarket.com/kernza-krunch
Bland, А. (2016, October 26). After a long day of fighting climate change, this grain is ready for a beer. NPR. Food for Thought. Retrieved from https://www.lexiconoffood.com/link/after-long-day-fighting-climate-change-grain-ready-beer
Patagonia Provisions. (2019). A short story about Long Root Wit. Retrieved from https://www.patagoniaprovisions.com/pages /long-root-wit
Saksonova, E.O. (2005). Lutein and zeaxanthin – the main components of the antioxidant eye protection system. Russian Medical Journal, 13(2), 124–129. (in Rus).
Zavgorodnaya, N.G., & Muxalchuk, S.V. (2013, May). The use of short carotenoids for the prevention and treatment of diabetic retinopathy. “Filatovski chytannia”, dedicated to the 80th anniversary of tissue therapy by the method of Academician V.P. Filatov, Оdessа, 275–276. (in Ukr).
Garnuk, T.P., & Аnokhina, S.V. (2016). The role of carotenoids in the health of the visual organ (Literature Review). Phytotherapy, 2, 39–42. (in Ukr).
Grigorenko, O. M. (2010). The role of vitamins in human nutrition. Food Science and Technology, 3, 33-36. (in Ukr).
Ryan, M.R., Crews, T.E., Culman, S.W., DeHaan, L.R., Hayes, R.C., Jungers, J.M., & Bakker, M.G. (2018). Managing for Multifunctionality in Perennial Grain Crops. Bioscience, 68(4), 294–304. doi:10.1093/biosci/biy014
Tinsley, S. G. (2012). An evaluation of perennial wheat and intermediate wheatgrass as dual-purpose, forage-grain crops under organic management (Master’s thesis). Michigan State University, Michigan, USA.
Larkin, P.J., Newell, M.T., Hayes, R.C., Aktar, J., Norton, M.R., Moroni, S.J., & Wade, L.J. (2014). Progress in developing perennial wheats for grain and grazing. Crop and Pasture Science 65(11), 1147-1164. doi:10.1071/CP13330
Newell, M.T., & Hayes R.C. (2017). An initial investigation of forage production and feed quality of perennial wheat derivatives. Crop and Pasture Science, 68(12), 1141–1148. doi:10.1071/CP16405
Pugliese, J.Y., Culman, S.W., & Sprunger, C. D. (2019). Harvesting forage of the perennial grain crop kernza (Thinopyrum intermedium) increases root biomass and soil nitrogen cycling. Plant and Soil, 437(1–2), 241–254. doi: 10.1007/s11104-019-03974-6
Lopez-Marisco, L., Altesor, A., Oyarzabal, M., Baldassini, P., & Paruelo, J.M. (2015). Grazing increases below-ground biomass and netprimary production in a temperate grassland. Plant and Soil, 392, 155–162. doi: 10.1371/journal.pone.0215223
Geletuha, G.G., & Zheleznova, T.А. (2014). Prospects for the use of agricultural waste for energy production in Ukraine. Analytical note Nr. 7 of the Bioenergy Association of Ukraine. Retrieved from www.uabio.org/activity/uabio-analytics
Abbasi, T., Tauseet, S., & Abbasi , S. (2012). Biogas Energy. New York: Springer, 169
Biteco-energy.(2013). Biogas output from different types of substrates. Retrieved from http://www.biteco-energy.com/vyhod-biogaza-iz-razlichnogo-syrya-2/
Vershnyak, Т. (2011, March 22) Improving the quality of chicken eggs. Agribusiness Today. Retrieved from http://agro-business.com.ua
Turner, M.K., DeHaan, L.R., Jin, Y., & Anderson, J. A. (2013). Wheatgrass–wheat partial amphiploids as a novel source of stem rust and fusarium head blight resistance. Crop Science, 53(5), 1994–2005. doi: 10.2135/cropsci2012.10.0584
Culman, S.W., DuPont, S.T., Glover, J.D., Buckley, D.H., Fick, G.W., Ferris, H., & Crews, T.E. (2010). Long-term impacts of high-input annual cropping and unfertilized perennial grass production on soil properties and belowground food webs in Kansas, USA. Agric. Ecosyst. Environ, 137(1–2), 13–24. doi:10.1016/j.agee.2009.11.008