Don Wyses åker med vinterkorn brukade vara mestadels tom på våren.

För åtta år sedan skulle bara en tiondel av spannmålen överleva vintern i detta försöksfält i St. Paul. Men i år, efter att upprepade gånger förfinat växtens genetik, var fältet jämnt med svajande, blekgula kornhuvuden.

Vintern är det första hindret som forskare vid University of Minnesotas Forever Green Initiative måste klara när de försöker odla nya grödor som kan täcka jordbruksfält året runt – och i processen, hjälpa vattenkvaliteten i hela staten.

Minnesota har i åratal kämpat för att minska gårdsföroreningarna från gödningsmedel och andra källor som rinner ut i bäckar, sjöar, Mississippifloden och, så småningom, Mexikanska golfen.

Wyse, en odlingsforskare som grundade och nu leder Forever Green, sa att han i flera år såg på när all finansiering för forskning om gårdsföroreningar gick till att beskriva problemet. "Det var inte särskilt stora investeringar i lösningar."

Så växtförädlare på Forever Green arbetar på 16 fleråriga och årliga vintergrödor för att suga upp den näringsföroreningen innan den försvinner. Livsmedelsforskare och marknadsförare med programmet försöker utveckla användningsområden för dessa grödor och förhoppningsvis ge nya intäkter för bönder.

Fleråriga grödor är ingen ny idé - grupper som det ideella Land Institute i Salina, Kansas, har främjat konceptet i årtionden. Det innehar varumärket för Kernza, ett flerårigt korn som det utvecklar i samarbete med Forever Green-forskare.

Men utmaningarna kvarstår i höna-eller-äggproblemet att utveckla en marknad för dessa grödor. För att grödorna ska kunna användas i storskaliga produkter krävs det mycket produktion; men för att bönder ska kunna satsa på dem måste de vara övertygade om att det finns en marknad.

Bärs i vattnet

På de bördiga fälten i Mellanvästern dominerar majs och sojabönor:De två årliga grödorna täckte 63 % av Minnesotas 25 miljoner tunnland gård 2021, enligt det amerikanska jordbruksdepartementet. I andra delstater är andelen ännu högre – de täcker 76 % av jordbruksmarken i Iowa och 80 % i Illinois.

I dessa radgrödor brukar bönder bearbeta och plantera utsäde på våren, skörda på hösten och lämna marken bar till nästa odlingssäsong.

Nedfallande regn tvättar lätt ut näringsämnen från dessa trädafält och ut i närliggande vattendrag. Fosfor som flödar med eroderande jordbruksjordar matar alger i Minnesotas sjöar; kväve sipprar ner i grundvattnet och förorenar landsbygdens vattenbrunnar.

"Det är detta onda problem som kväver våra floder", säger Whitney Clark, verkställande direktör för Friends of the Mississippi River. Det finns "för många hektar med läckande, ettåriga radgrödor."

Kväve färdas nerför Mississippifloden till Mexikanska golfen, där det hjälper till att underblåsa en årlig algexplosion och dör av som tappar syre från vattnet, vilket orsakar en massiv "död zon". I år förutspår National Oceanic and Atmospheric Administration att den döda zonen skulle vara 5 364 kvadratkilometer, nästan lika stor som Connecticut.

Den senaste handlingsplanen för att krympa denna döda zon, från 2008, rekommenderade att varje stat längs flodbassängen skulle minska sina kväve- och fosforföroreningar med 45 %. Men nivåerna är fortfarande höga.

David Wall, en forskare vid Minnesota Pollution Control Agency, sa att staten har minskat fosformängderna med mellan 20 och 35 %, mestadels från förbättringar av avloppsreningsverk och vissa åtgärder för skötsel av jordbruksmark.

Men kvävenivåerna har förblivit desamma, eller i vissa fall ökat, sa Wall.

En lösning är att hålla växtrötter i marken längre, där de stabiliserar jorden och suger upp kväve innan det kommer ut.

Kernza - en tjock, gräsliknande växt - producerar bra i cirka tre år, dyker upp ur marken varje vår och mognar för skörd på sensommaren eller hösten. Genom att hålla sig på plats året runt har peer-reviewed forskning från Forever Green visat att den fångar upp 99 % av det kväve som annars skulle komma ut jämfört med ettårig majs.

"Det enda sättet att hindra kväve från att spola genom jorden är att få rötter att fånga upp det kvävet", säger Lee DeHaan, ledande forskare för Kernza domesticering med Land Institute.

Men Kernza-växter producerar bara 20 % av vad veteväxter gör på samma areal i Kansas fälttester, sa DeHaan.

I fältet

På U:s fält i St. Paul arbetar uppfödare för att lösa det problemet. Forskare samlade omsorgsfullt in pollen från fleråriga växter och applicerade det på traditionellt, ettårigt vete. Hybriderna växer nu, och förhoppningen är att de ska ha både de fleråriga egenskaperna hos Kernza och de högre spannmålsmängderna av vanligt vete.

Framgång eller misslyckande kommer inte att vara uppenbart förrän nästa vår, sa Wyse. Först om de dyker upp igen kommer uppfödare att veta om växterna verkligen är perenner.

Ta pennycress, ett vanligt ogräs vid vägkanten som växtbiologen och uppfödaren David Marks försöker göra till en viktig vintergröda. Marks är så optimistisk om potentialen för pennycress att producera ätbara frön att han har tatuerat växtens ljusgröna likhet på sin vänstra underarm.

Marks har mycket att göra för att göra grödan redo för marknaden. De platta, runda frökapslarna måste göras mer hållbara så att de inte splittras innan skörden; tjocka fröskal måste tunnas ut, så att vandrande frö inte överlever i jorden längre än en bonde kanske vill ha dem där; och osäkra att konsumera erukasyra måste elimineras från fröoljorna.

Marks sa att grödans potential som ettårig vinter inte bara hindrar gödselmedel från att komma in i vattnet, utan också utökar det växande fönstret, i en tid då pandemin och kriget i Ukraina har oroat världen.

Marks sa att han oroar sig för att nästa störning "kommer att vara ett hot mot vår livsmedelsförsörjning. Jag tänker på framtiden för vad som kommer härnäst."

Bygga marknaden

Av alla Forever Greens grödor är Kernza kanske den mest kända – och närmast att göras till konsumentprodukter.

För att dessa grödor ska göra skillnad måste de användas i stor skala, sa Wyse.

"Vi måste ha stora marknader för att få tillräckligt med dessa växter i landskapet för att skydda Mississippifloden," sa Wyse.

Det finns några produkter på marknaden just nu, som en Kernza-flingor som säljs i Whole Foods-butiker av Cascadian Farm, ett varumärke från General Mills.

Men bönder sa att Kernza de odlar inte säljs lika snabbt som andra grödor.

En del statliga pengar har nyligen budgeterats för att hjälpa till med denna uppskalning. Förutom 763 000 USD i finansiering för växtförädling tilldelade en tvådelad grupp av Minnesota-lagstiftare i år 500 000 USD för att hjälpa till att finansiera företag i leveranskedjan som tar spannmålen från åkrarna till butikshyllorna.

Att utveckla leveranskedjan har krävt ett intensivt arbete, säger Christopher Abbott, ordförande för Perennial Pantry. Startupen är inriktad på att sälja livsmedel som använder fleråriga och täckande grödor.

Kernza måste gå igenom omfattande rengöring efter skörd, vilket tar cirka 10 gånger längre tid än konventionellt vete, sa Abbott. Efter det fick hans företag experimentera med hur spannmålet skulle användas, som har ett högre förhållande mellan kli och stärkelse än annat vete.

En av Abbotts favoritprodukter är en Kernza-kex, som han beskrev som smörig och fläckig. Det tog 80 iterationer att bli rätt, sa han.

Tidiga användare av grödan är ivriga att få planteringarna att fungera.

Anne Schwagerl, en bonde i västra Minnesota nära Beardsley, sa att hennes Kernza-skörd har krävt några justeringar. Schwagerl, som planterade 40 hektar Kernza 2020, sa att skörden nu tar två pass; vetegräset måste skäras en fot från marken och sedan torkas på fältet i några dagar innan det kan samlas upp.

Schwagerl sa att det nya spannmålet passar bra i hennes ekologiska verksamhet som också odlar sojabönor, majs, råg, havre och en annan Forever Green-gröda, vinterkamelina.

Men på grund av den nya marknaden kunde hon inte sälja den spannmål hon först skördade hösten 2021 förrän följande vår.

"Kernza, vi var tvungna att lagra mycket längre än med vår majs eller sojaböna eller havre", sa hon.

Det har också funnits fördelar. I våras kämpade bönder för att få ner sitt frö i marken i stora delar av delstaten, eftersom den kalla, våta årstiden försenade plantering.

Schwagerl behövde inte oroa sig för plantering; hennes Kernza-gräs var redan där, med rötter flera fot djupa.