Wie „Speed ​​Breeding“-Pflanzen die Landwirtschaft revolutionieren könnten

Man sagt, Geschwindigkeit tötet, aber wenn es darum geht Genügend Nahrung für unsere Zukunft anzubauen, Geschwindigkeit könnte den Unterschied zwischen Fest und Hungersnot ausmachen. Glücklicherweise gibt es eine Gruppe von Wissenschaftlern, die ihren sprichwörtlichen Fuß auf dem Pedal haben.

Diese Wissenschaftler vor kurzem veröffentlichte einen Artikel über eine neue Pflanzenzüchtungstechnik Dies könnte die Art und Weise, wie wir Pflanzen anbauen, revolutionieren und die Geschwindigkeit beschleunigen, mit der wir angesichts des Klimawandels widerstandsfähigere, gesündere und vielseitigere Pflanzen entwickeln können. Wenn sich das Klima ändert, ändert sich auch die Produktivität einer Pflanze in einer bestimmten Region. Der Schlüssel zu unserer wohlgenährten Zukunft könnte eine Vielzahl widerstandsfähiger Pflanzen sein, die unter unterschiedlichen Umweltbedingungen wachsen können.

„Die Wachstumsrate der meisten Pflanzenzüchtungsprogramme bleibt hinter den Anforderungen einer wachsenden Bevölkerung zurück.“ Brande Wulff, ein Pflanzengenetiker am John Innes Centre im Vereinigten Königreich und Autor des Artikels, erzählt Digital Trends. „Durch die Beschleunigung des Pflanzenwachstums und der Pflanzenreproduktion können Wissenschaftler und Züchter auf der ganzen Welt schneller vorgehen Züchten und entwickeln Sie Pflanzen, die nährstoffreicher, krankheitsresistenter und besser an die Zukunft angepasst sind Klima."

Die Methode trägt den passenden Namen „Speed ​​Breeding“ und hat bereits gezeigt, dass sich Weizen – von Saat zu Saat – in nur acht Wochen anbaut. Das ist dreimal schneller als die Züchtungstechnik, die den Auslöser dafür war Grüne Revolution. Auch wenn es noch in den Kinderschuhen steckt, weisen einige Analysten aufgrund der Ergebnisse der Schnellzüchtung darauf hin, dass es ein entscheidendes Werkzeug für den Beginn eines neuen landwirtschaftlichen Zeitalters ist.

Ursprünge des Weltraums

Vielleicht ist es keine Überraschung, dass das Konzept der Geschwindigkeitszucht seinen Ursprung bei der NASA hat. Beim Brainstorming über Möglichkeiten, Weizen anzubauen Weltraum, Agenturwissenschaftler hatten diese verrückte Idee – warum nicht Decken Sie die Pflanzen mit konstantem Licht ab, damit sie schneller reifen können? Pflanzen lieben schließlich Licht. Sie sehnen sich danach und zermahlen Photonen zusammen mit Kohlendioxid und Wasser, um den Zucker zu erzeugen, den sie zum Wachsen benötigen. Kontinuierliches Licht könnte kontinuierliches Wachstum bedeuten. Ganz einfach, oder?

„Viele Wissenschaftler sagten, das sei unmöglich“ Lee Hickey, ein Pflanzenwissenschaftler an der University of Queensland und einer der ersten, der den Plan der NASA vor einem Jahrzehnt übernommen hat, erzählt Digital Trends. „Es war eine so radikale Idee, dass sie uns sagten, wir könnten es nicht umsetzen.“

Doch Lee und sein Team ließen sich von den Neinsagern nicht beeindrucken. Getreu der wissenschaftlichen Methode „probierten sie es“ und entwarfen Experimente, um zu testen, ob intensive Lichtregime die Produktivität der Pflanzen steigern würden.

Das war nicht der Fall. Als die Wissenschaftler zum ersten Mal Weizen in einem Schnellzüchtungssystem anbauten, „sahen sie schrecklich aus“, sagt Hickey, „wirklich dürftig.“ Aber durch eine Reihe von Experimenten, die Dinge wie Ernährung optimierten, Abhängig von der Wasserversorgung, der Lichtfrequenz und der Gewächshaustemperatur begannen die Gräser schneller und gleichmäßiger zu reifen und zeigten sogar eine höhere Getreideproduktivität als im konventionell angebauten Gewächshaus Weizen.

Lee, Wright und ihre Kollegen, darunter Forscher der Universität Sydney, entschieden sich für ein Lichtregime, vor dem selbst die gläubigsten Sonnenanbeter zurückschrecken würden. „Langtagpflanzen“ wie Weizen, Gerste und Kichererbsen (die als Reaktion auf längere Tageszyklen blühen) sind davon betroffen bis zu 22 Stunden Dauerlicht pro Tag ausgesetzt, das von über dem Anbau angebrachten LED-Lampen herabgestrahlt wird Betten.

Das Verlangen nach Geschwindigkeit

Unter dem Schnellzüchtungsprotokoll können Pflanzen wie Weizen in nur acht Wochen von Samen zu Samen gelangen, was bedeutet, dass Züchter jedes Jahr bis zu sechs Generationen heranwachsen lassen können.

„Die wirkliche Innovation, die sie hier zeigen, besteht darin, dass sie in der Lage sind, sehr schnell Generationen zu wechseln.“ Charles Brummer, sagt ein Pflanzenwissenschaftler der UC Davis und ehemaliger Präsident der Crops Science Society of America, der nicht an der Studie beteiligt war. „Das ist ein zentraler Aspekt der Pflanzenzüchtung.“

Mit jeder neuen Generation versuchen Forscher, wünschenswerte Eigenschaften heranzuzüchten und gleichzeitig unerwünschte Eigenschaften auszuzüchten. Je schneller sie eine Generation von Samen zu Samen brauchen, desto schneller können sie unerwünschte Eigenschaften entfernen und gleichzeitig gewünschte fördern.

Nehmen wir zum Beispiel das Pre-Harvest Sprouting (PHS), ein Phänomen, das dazu führt, dass Weizen aufgrund längerer Regenfälle und hoher Luftfeuchtigkeit vorzeitig keimt.

„Das ist in Australien ein großes Problem, weil alle unsere Sorten anfällig sind“, sagt Hickey.

Die Anfälligkeit für PHS wird zumindest teilweise genetisch kontrolliert, also durch selektive Züchtung und Kreuzung verschiedener Weizensorten Ziel der Forscher ist es, dieses genetische Merkmal zu eliminieren, um künftige Weizengenerationen widerstandsfähiger gegen starke Niederschläge zu machen Feuchtigkeit. Das Unternehmen Dow AgroSciences hat die Schnellzüchtungstechnik bereits übernommen und eine Weizensorte mit PHS-Resistenz entwickelt.

So einfach ist das: Erhöhen Sie die Saat-zu-Samen-Geschwindigkeit einer Kulturpflanze und erleichtern Sie den Züchtern die Entwicklung wünschenswerter Kulturpflanzen. Erhöhen Sie es um das Dreifache und Sie erhalten ein außergewöhnliches Werkzeug für die Erzeugung von Elite-Pflanzen.

„Viele Krankheitsresistenzgene finden sich in wilden Verwandten unserer domestizierten Nutzpflanzen“, sagt Wulff, „allerdings bei Kreuzungen.“ Ein Krankheitsresistenzgen aus einem Wildweizen in eine domestizierte Elitesorte ist wie die Zucht eines Rennpferdes mit einem Esel! Es dauert viele, viele Jahre, das Beste aus beiden Welten zu vereinen. Schnellzüchtung kann diesen Prozess beschleunigen und die Zeit verkürzen, die für die Entwicklung einer neuen Weizensorte mit überlegenen Eigenschaften erforderlich ist.“

Brummer bringt es direkt auf den Punkt. „Schneller voranzukommen ist das A und O“, sagt er. „Das ist eine Möglichkeit, viel schneller voranzukommen.“

Felder der Träume

Der Großteil des Weizens, der in unsere Nudeln und unser Brot gelangt, wird jedoch nicht in Gewächshäusern angebaut, und vieles davon folgt den ersten Züchtungsstadien.

„Irgendwann muss man, unabhängig von den verwendeten genomischen Werkzeugen, Pflanzen aufs Feld bringen und sehen, wie sie funktionieren“, erklärt Brummer.

Auf dem Feld werden die Gewächshausexperimente auf die Probe gestellt. Eine Pflanzensorte kann in einer künstlichen Umgebung, in der Temperatur, Wasserversorgung und Lichtverhältnisse problemlos herrschen, gute Ergebnisse erzielen reguliert, aber wenn es nicht auf dem Feld gedeiht, wo die überwiegende Mehrheit unserer Pflanzen angebaut wird, dann ist es praktisch ein Blindgänger. Neue Weizensorten müssen unter freiem Himmel produktiv sein, damit die Landwirte sie annehmen können.

„Feldtests sind so wichtig“, sagt Hickey. „Das müssen wir haben und sicherstellen, dass die Sorten, die wir den Landwirten zur Verfügung stellen, bewährt sind und eine nachgewiesene Erfolgsbilanz aufweisen. Sie müssen noch diese drei oder vier Jahre der Feldbewertung durchlaufen.“

Dennoch schätzt Hickey, selbst wenn man die wenigen Jahre der Feldversuche berücksichtigt, dass sich die Geschwindigkeitszucht bis 2050, wenn die Population so groß ist, auf vier oder fünf Brutzyklen beschränken kann voraussichtlich über neun Milliarden und der Klimawandel wird weltweit spürbar sein. Die Hoffnung besteht darin, dass die Züchter in den nächsten Jahrzehnten Sorten entwickeln können, die widerstandsfähig genug sind, um den Umwelteinflüssen standzuhalten.

„Das Wetter und das Klima ändern sich ständig bis zu einem gewissen Grad, aber was wir jetzt sehen, ist, dass sich das Klima ändert „Wir verändern uns schneller, und vielleicht sehen wir als Folge davon mehr Wetterextreme“, sagte Brummer sagt. „Vielleicht müssen die neuen Sorten, die an eine bestimmte Region angepasst sind, schärfer sein, sodass wir schneller züchten und mehr Sorten entwickeln müssen als in der Vergangenheit.“ Hier könnte diese Methode helfen. Alles, was Sie tun können, um die Zeit bis zur Einführung neuer Pflanzensorten auf dem Feld zu verkürzen, wird von Nutzen sein.“

Zukünftige Herausforderungen

Bisher hat die Schnellzüchtung das größte Potenzial bei Langtagarten gezeigt, die als Reaktion auf eine längere Blütezeit blühen Tage, was Hickey und seine Kollegen zuversichtlich macht, dass es mit Pflanzen wie Sonnenblumen, Pfeffer usw. funktionieren wird Rettich.

„Es wird schwieriger sein, die Schnellzüchtung auf ‚Kurztag‘-Arten wie Reis, Mais und Sorghum anzuwenden“, sagt er, „aber ich denke, dass es Raum für die Optimierung eines Schnellzyklussystems gibt.“ Es geht lediglich darum, die Photoperiode und die Temperaturregime anzupassen.“

Obwohl es sich bei Erdnüssen um eine „Kurztag“-Art handelt, haben einige Forscher bereits gezeigt, dass die Schnellzüchtung auch diesen Hülsenfrüchten zugute kommt.

„Wir setzen die von UQ-Forschern entwickelte Schnellzüchtungstechnik bereits seit einigen Jahren erfolgreich bei Erdnüssen ein“, sagt Graeme Wright, Züchter bei der Peanut Company of Australia. Wright glaubt, dass die langen Lichtintervalle, die bei der Schnellzüchtung verwendet werden, tatsächlich auf die Selektion einzelner Pflanzen mit Unempfindlichkeit gegenüber der Tageslänge zurückzuführen sein könnten, was er sagt, es sei „ein wünschenswertes Merkmal, da es bedeutet, dass die entwickelten Sorten eine weitgehende Anpassung an den Breitengrad aufweisen sollten, wobei das Fortpflanzungswachstum nicht vom Tag abhängt.“ Länge."

CRISPR und darüber hinaus

Diese neue Methode sollte als Munition betrachtet werden, die Züchter zu einem wachsenden Arsenal genetischer Waffen hinzufügen können. In den letzten Jahren haben Fortschritte in der Genomik es Wissenschaftlern ermöglicht, Werkzeuge zur Genbearbeitung wie z CRISPR Genome so zu modifizieren, dass sie Dinge enthalten wie Trockenheitsresistenz und höhere Ernährung.

„Schnellzucht ist ein Werkzeug im Schuppen“, sagt Hickey. „Die wirkliche Wirkung wird sich aus der Kombination dieses Tools mit anderen Technologien ergeben, die wir haben und die sich im Bereich der Pflanzenzüchtung schnell weiterentwickeln. CRISPR, Genomik-Tools, Genomselektion und Vorhersage.“

Die Forscher sind sich jedoch darüber im Klaren, dass es nicht einfach sein wird, alle Züchter auf die Schnellzucht umzustellen. Alte Gewohnheiten lassen sich nur schwer ablegen und Wissenschaftler sind von Natur aus skeptisch. Hinzu kommen die Infrastrukturänderungen, die für den Übergang zu einer solchen Methode erforderlich sind, und es ist klar, dass ein holpriger Weg vor uns liegt. Dennoch hoffen Hickey und Wright mit ihrem kürzlich veröffentlichten Artikel, dass andere Züchter und Forscher das Potenzial ihrer Technik erkennen werden.

Für diejenigen, die sich für die Schnellzucht interessieren, hat Hickey einen einfachen Vorschlag, wie man anfangen kann: „Lass einfach das Licht an, Kumpel.“

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