Disse forskerne nylig publiserte en artikkel som beskriver en ny planteforedlingsteknikk som kan revolusjonere måten vi dyrker avlinger på og akselerere hastigheten vi kan utvikle hardere, sunnere og mer allsidige planter i møte med klimaendringer. Når klimaet endrer seg, endres også en plantes produktivitet i en gitt region. Nøkkelen til vår velnærede fremtid kan være en rekke motstandsdyktige avlinger som kan vokse under forskjellige miljøforhold.
"Mange forskere sa at dette var umulig. Det var en så radikal idé at de fortalte oss at vi ikke kunne gjøre det.»
"Veksthastigheten i de fleste avlingsprogrammer henger etter kravene som stilles av en voksende befolkning," Brande Wulff, en avlingsgenetiker ved John Innes Center i Storbritannia og forfatter av avisen, forteller til Digital Trends. "Ved å akselerere avlingsvekst og reproduksjon, vil forskere og oppdrettere over hele verden kunne raskere avle og konstruere planter som er mer næringsrike, motstår sykdommer og som er bedre tilpasset morgendagens klima."
Med passende navn "speed breeding", har metoden allerede vist seg å dyrke hvete - fra frø til frø - på bare åtte uker. Det er tre ganger raskere enn avlsteknikken som utløste Grønn revolusjon. Selv om de fortsatt er i ungdomsårene, har hastighetsoppdrettsresultatene noen analytikere pekt på det som et sentralt verktøy i begynnelsen av en ny landbrukstid.
Outer Space Origins
Kanskje er det ingen overraskelse at hurtigoppdrettskonseptet oppsto hos NASA. Mens du tenker på måter å dyrke hvete på verdensrommet, byråforskere hadde denne sprø ideen - hvorfor ikke drapere plantene i konstant lys, gi dem mulighet til å modnes raskere? Planter elsker tross alt lys. De krever det, knuser fotoner sammen med karbondioksid og vann for å lage sukkeret de trenger for å vokse. Kontinuerlig lys kan bety kontinuerlig vekst. Enkelt, ikke sant?
Dr. Brande Wulff (til venstre) og Dr. Lee Hickey ser på hurtigavlede hveteavlinger. Foto: Hickey Lab/University of Queensland
"Mange forskere sa at dette var umulig," Lee Hickey, en avlingsforsker ved University of Queensland og en av de første som tok i bruk NASAs plan for et tiår siden, forteller Digital Trends. "Det var en så radikal idé at de fortalte oss at vi ikke kunne gjøre det."
Men Lee og teamet hans var uberørt av nei-sayerne. Tro mot den vitenskapelige metoden "ga de det en sjanse", og utformet eksperimenter for å teste om intensive lysregimer ville øke plantenes produktivitet.
Det gjorde det ikke. Da forskerne først dyrket hvete i et hurtigforedlingssystem, "så de forferdelig ut," sier Hickey, "virkelig tøffe." Men gjennom en serie eksperimenter som optimaliserte ting som ernæring, vanntilførsel, lysfrekvens og drivhustemperatur, begynte gresset å modnes raskere og bedre, og viste til og med mer kornproduktivitet enn konvensjonelt dyrket drivhus hvete.
Lee, Wright og deres kolleger, inkludert forskere fra University of Sydney, slo seg på et lysregime som ville få selv de mest hengivne soltilbedere til å svikte. "Langdag"-avlinger som hvete, bygg og kikerter (som blomstrer som svar på lengre dagssykluser) er eksponert for så mye som 22 timer med kontinuerlig lys per dag, strålet ned fra LED-lamper som hang over veksten senger.
Behovet for hastighet
I henhold til hastighetsavlsprotokollen kan planter som hvete gå fra frø til frø på bare åtte uker, noe som betyr at oppdrettere kan vokse opp til seks generasjoner hvert år.
"Den virkelige innovasjonen som de viser her er å kunne snu generasjoner veldig raskt. Det er et nøkkelaspekt ved planteforedling.»
"Den virkelige innovasjonen som de viser her er å kunne snu generasjoner veldig raskt," Charles Brummer, sier en UC Davis avlingsforsker og tidligere president for Crops Science Society of America, som ikke var involvert i studien. "Det er et nøkkelaspekt ved planteforedling."
Med hver ny generasjon forsøker forskere å avle med ønskelige egenskaper mens de avler ut uønskede. Jo raskere de kan ta en generasjon fra frø til frø, desto raskere kan de fjerne uønskede egenskaper samtidig som de fremmer ønsket.
Ta for eksempel pre-harvest spiring (PHS), et fenomen som gjør at hvete spirer for tidlig på grunn av langvarig nedbør og høy luftfuktighet.
"Dette er et stort problem i Australia fordi alle variantene våre er følsomme," sier Hickey.
Mottakelighet for PHS er i det minste delvis kontrollert av genetikk, så ved selektiv avl og kryssing av forskjellige hvete varianter, tar forskere sikte på å eliminere den genetiske egenskapen, og gjøre fremtidige hvetegenerasjoner mer motstandsdyktige mot mye nedbør og luftfuktighet. Selskapet Dow AgroSciences har allerede tatt i bruk hurtigavlsteknikken og utviklet en rekke hvete med motstand mot PHS.
Så enkelt er det: Øk avlingens frø-til-frø-hastighet, og du gjør det lettere for oppdrettere å utvikle ønskelige avlinger. Øk den tre ganger, og du gir dem et eksepsjonelt verktøy for å lage eliteavlinger.
Planteforedling i romalderen lyser opp veien for fremtidige avlinger
"Mange gener for sykdomsresistens kan finnes i ville slektninger til våre tamme avlingsplanter," sier Wulff, "men krysser et sykdomsresistensgen fra villhvete til en domestisert elitekultivar er som å avle opp en veddeløpshest med et esel! Det tar mange, mange år... å kombinere det beste fra begge verdener. Hastighetsforedling kan akselerere denne prosessen og forkorte tiden som kreves for å utvikle en ny hvetesort med overlegne egenskaper."
Brummer sier det rett ut. "Å bevege seg raskere er navnet på spillet," sier han. "Dette er en måte å bevege seg mye raskere på."
Fields of Dreams
Det meste av hveten som kommer inn i pastaen og brødet vår, dyrkes imidlertid ikke i drivhus, og det er mye som følger de første avlsstadiene.
"Den virkelige virkningen vil komme fra å kombinere dette verktøyet med andre teknologier vi har som utvikler seg raskt i planteavlsområdet."
"På et eller annet nivå, uavhengig av de genomiske verktøyene du bruker, må du sette planter i feltet og se hvordan de presterer," forklarer Brummer.
Det er i felten drivhusforsøkene settes på prøve. En avlingsvariant kan fungere godt i et kunstig miljø, hvor temperatur, vanntilførsel og lysregimer er enkle regulert, men hvis den ikke trives ute i åkeren, hvor de aller fleste avlingene våre dyrkes, så er det praktisk talt en dud. Nye hvetesorter må være produktive ute i elementene for at bøndene skal ta dem til seg.
"Felttesting er så kritisk," sier Hickey. "Vi må ha det og sørge for at variantene vi gir ut til bønder er utprøvde og har en bevist merittliste. De må fortsatt gjennom disse tre eller fire årene med feltevaluering.»
Likevel, selv med beregninger i løpet av de få årene med felttesting, anslår Hickey at hurtigavl kan presse inn fire eller fem avlssykluser før 2050, når bestanden er forventet å overstige ni milliarder og klimaendringene vil være håndgripelige over hele verden. Håpet er at oppdrettere i løpet av de neste tiårene kan utvikle varianter som er spenstige nok til å tåle det miljøet kaster på dem.
Hickey Lab/University of Queensland
– Været og klimaet endrer seg alltid til en viss grad, men det vi ser nå er at klimaet er det endrer seg raskere, og kanskje vi ser mer ekstremvær som en konsekvens av det,» Brummer sier. "Kanskje de nye variantene som er tilpasset en bestemt region må være mer akutte, så vi må avle raskere og utvikle flere varianter enn tidligere. Det er der denne metoden kan hjelpe. Alt du kan gjøre for å korte ned den tiden for å få nye plantesorter ut i feltet vil være nyttig."
Utfordringer fremover
Så langt har hurtigavl vist det største potensialet i langdagsarter som blomstrer som svar på lengre dager, noe som gjør Hickey og kollegene trygge på at det vil fungere med planter som solsikke, pepper og reddik.
«Det vil være vanskeligere å bruke hurtigoppdrett på «kortdag»-arter som ris, mais og sorghum,» sier han, «men jeg tror det er rom for optimalisering av et hurtigsyklingssystem. Det er bare et spørsmål om å justere fotoperioden og temperaturregimene."
Faktisk, til tross for at peanøtter er en "kortdag"-art, har noen forskere allerede vist at hurtigoppdrett også gagner disse belgfruktene.
"Vi har med suksess brukt hurtigavlsteknikken utviklet av UQ-forskere innen peanøtt i en årrekke nå," sier Graeme Wright, en oppdretter ved Peanut Company of Australia. Wright tror at de lange lysintervallene som brukes i hurtigavl faktisk kan være å velge individuelle planter med daglengde ufølsomhet, noe han sier er "en ønskelig egenskap ettersom det betyr... varianter som utvikles bør ha bred tilpasning til breddegrad, med reproduktiv vekst ikke avhengig av dag lengde."
CRISPR og utover
Denne nye metoden bør sees på som ammunisjon som oppdrettere kan legge til et voksende arsenal av genetiske våpen. I løpet av de siste årene har fremskritt innen genomikk gjort det mulig for forskere å bruke genredigeringsverktøy som CRISPR å modifisere genomer til å inkludere ting som tørkeresistens og høyere ernæring.
"Hastighetsoppdrett er ett verktøy i skuret," sier Hickey. "Den virkelige virkningen vil komme fra å kombinere dette verktøyet med andre teknologier vi har som utvikler seg raskt i planteavlsområdet. CRISPR, genomiske verktøy, genomisk seleksjon og prediksjon."
Men forskerne innser at det ikke vil være lett å konvertere alle oppdrettere til hurtigoppdrettsregimet. Gamle vaner dør hardt og forskere er iboende skeptiske. Legg til det infrastrukturendringene som trengs for å gå over til en slik metode, og det er tydelig at det er en humpete vei foran oss. Likevel, med deres nylig publiserte papir, håper Hickey og Wright at andre oppdrettere og forskere vil se potensialet i teknikken deres.
Til de som er interessert i å ta i bruk hurtigoppdrett, har Hickey et enkelt forslag til hvordan de kan begynne - "Bare la lysene stå på, kompis."
Redaktørenes anbefalinger
- For å få mer plass til husdyr, vil nederlenderne flytte kyr til en flytende gård
