Ci naukowcy niedawno opublikował artykuł szczegółowo opisujący nową technikę hodowli roślin które mogą zrewolucjonizować sposób, w jaki uprawiamy rośliny i przyspieszyć tempo, w jakim możemy wyhodować trwalsze, zdrowsze i bardziej wszechstronne rośliny w obliczu zmian klimatycznych. Wraz ze zmianą klimatu zmienia się także produktywność roślin w danym regionie. Kluczem do naszej dobrze odżywionej przyszłości może być różnorodność odpornych upraw, które mogą rosnąć w różnorodnych warunkach środowiskowych.
„Wielu naukowców twierdziło, że jest to niemożliwe. To był tak radykalny pomysł, że powiedzieli nam, że nie możemy tego zrobić.
„Tempo zysków w większości programów hodowli roślin pozostaje w tyle za wymaganiami stawianymi przez rosnącą populację” Branda Wulffa
, genetyk roślin uprawnych w John Innes Centre w Wielkiej Brytanii i autor artykułu, mówi Digital Trends. „Przyspieszając wzrost i reprodukcję upraw, naukowcy i hodowcy na całym świecie będą mogli to zrobić szybciej hoduj i konstruuj rośliny, które są bardziej pożywne, odporne na choroby i lepiej przystosowane do jutra klimat."Wykazano już, że metoda ta, odpowiednio nazwana „szybką hodowlą”, pozwala na uprawę pszenicy – od nasionka do nasionka – w zaledwie osiem tygodni. To trzy razy szybciej niż technika hodowli, która dała początek Zielona rewolucja. Choć jest jeszcze w fazie dojrzewania, niektórzy analitycy wskazują na jej szybkie rozmnażanie jako na kluczowe narzędzie nadejścia nowej ery rolnictwa.
Początki przestrzeni kosmicznej
Być może nie jest zaskoczeniem, że koncepcja szybkiej hodowli powstała w NASA. Podczas burzy mózgów na temat sposobów uprawy pszenicy przestrzeń kosmiczna, naukowcy z agencji wpadli na ten szalony pomysł – czemu nie umieszczaj rośliny w stałym świetle, umożliwiając im szybsze dojrzewanie? W końcu rośliny kochają światło. Pragną tego, miażdżąc fotony razem z dwutlenkiem węgla i wodą, aby wytworzyć cukry potrzebne do wzrostu. Ciągłe światło może oznaczać ciągły wzrost. Proste, prawda?
Dr Brande Wulff (po lewej) i dr Lee Hickey przyglądają się uprawom pszenicy szybko hodowanej. Zdjęcie: Hickey Lab/Uniwersytet Queensland
„Wielu naukowców twierdziło, że to niemożliwe” Lee Hickeya, naukowiec zajmujący się uprawami na Uniwersytecie w Queensland i jedna z pierwszych osób, które dziesięć lat temu przyjęły plan NASA, mówi Digital Trends. „To był tak radykalny pomysł, że powiedzieli nam, że nie możemy tego zrobić”.
Ale Lee i jego zespół byli niewzruszeni przeciwnikami. Zgodnie z metodą naukową „spróbowali”, projektując eksperymenty mające na celu sprawdzenie, czy intensywne reżimy świetlne zwiększą produktywność roślin.
Tak się nie stało. Kiedy naukowcy po raz pierwszy uprawiali pszenicę w systemie szybkiej hodowli, „wyglądały okropnie” – mówi Hickey – „naprawdę marne”. Ale dzięki serii eksperymentów, które zoptymalizowały takie kwestie, jak odżywianie, zaopatrzenie w wodę, częstotliwość oświetlenia i temperatura w szklarni, trawy zaczęły dojrzewać szybciej i lepiej, wykazując nawet większą produktywność ziarna niż w szklarni uprawianej konwencjonalnie pszenica.
Lee, Wright i ich współpracownicy, w tym badacze z Uniwersytetu w Sydney, zdecydowali się na lekki reżim, który wzbudzi sprzeciw nawet najbardziej pobożnych czcicieli Słońca. Uprawy „długiego dnia”, takie jak pszenica, jęczmień i ciecierzyca (które kwitną w odpowiedzi na dłuższe cykle dnia) są wystawione na działanie aż 22 godzin ciągłego światła dziennie, emitowanego z lamp LED zawieszonych nad uprawą łóżka.
Potrzeba szybkości
Zgodnie z protokołem szybkiej hodowli rośliny takie jak pszenica mogą przejść od nasionka do nasionka w zaledwie osiem tygodni, co oznacza, że hodowcy mogą dorastać do sześciu pokoleń rocznie.
„Prawdziwą innowacją, którą tu pokazują, jest możliwość bardzo szybkiej zmiany pokoleń. To kluczowy aspekt hodowli roślin”.
„Prawdziwą innowacją, którą tutaj pokazali, jest możliwość bardzo szybkiej zmiany pokoleń” – dodał. Karola Brummera– mówi naukowiec zajmujący się uprawami na Uniwersytecie Kalifornijskim w Davis i były prezes Crops Science Society of America, który nie był zaangażowany w badanie. „To kluczowy aspekt hodowli roślin”.
Z każdym nowym pokoleniem badacze próbują rozmnażać pożądane cechy, jednocześnie hodując niepożądane. Im szybciej przejdą pokolenie od nasion do nasion, tym szybciej będą w stanie usunąć niepożądane cechy, jednocześnie promując te pożądane.
Weźmy na przykład kiełkowanie przed zbiorami (PHS), zjawisko powodujące przedwczesne kiełkowanie pszenicy z powodu długotrwałych opadów i wysokiej wilgotności.
„To ogromny problem w Australii, ponieważ wszystkie nasze odmiany są podatne” – mówi Hickey.
Podatność na PHS jest przynajmniej częściowo kontrolowana przez genetykę, czyli poprzez selektywne rozmnażanie i krzyżowanie różnych pszenicy odmian, badacze dążą do wyeliminowania tej cechy genetycznej, dzięki czemu przyszłe pokolenia pszenicy będą bardziej odporne na wysokie opady deszczu i wilgotność. Firma Dow AgroSciences przyjęła już technikę szybkiego rozmnażania i opracowała odmianę pszenicy odporną na PHS.
To takie proste: zwiększ prędkość uprawy od nasionka do nasionka, a ułatwisz hodowcom uzyskanie pożądanych plonów. Wzmocnij je trzykrotnie, a dasz im wyjątkowe narzędzie do tworzenia elitarnych upraw.
Hodowla roślin epoki kosmicznej oświetla drogę przyszłym uprawom
„Wiele genów odporności na choroby można znaleźć u dzikich krewnych naszych udomowionych roślin uprawnych” – mówi Wulff, „ale krzyżowanie gen odporności na choroby z dzikiej pszenicy w udomowioną elitarną odmianę jest jak hodowla konia wyścigowego z osłem! Połączenie tego, co najlepsze z obu światów, zajmuje wiele, wiele lat. Szybka hodowla może przyspieszyć ten proces i skrócić czas potrzebny do opracowania nowej odmiany pszenicy o doskonałych cechach.
Brummer ujął to wprost. „Najważniejsze jest szybsze poruszanie się” – mówi. „To jeden ze sposobów, aby poruszać się znacznie szybciej”.
Pola Marzeń
Jednak większość pszenicy, z której produkujemy nasze makarony i chleb, nie jest uprawiana w szklarniach, a wiele z nich pochodzi z początkowych etapów hodowli.
„Prawdziwy wpływ będzie wynikał z połączenia tego narzędzia z innymi posiadanymi przez nas technologiami, które szybko ewoluują w przestrzeni hodowli roślin”.
„Na pewnym poziomie, niezależnie od używanych narzędzi genomicznych, należy wysadzić rośliny na pole i zobaczyć, jak się zachowują” – wyjaśnia Brummer.
Eksperymenty szklarniowe poddawane są próbie w terenie. Odmiana uprawna może dobrze radzić sobie w sztucznym środowisku, w którym łatwo jest zapewnić odpowiednią temperaturę, zaopatrzenie w wodę i oświetlenie uregulowane, ale jeśli nie rozwija się na polu, gdzie uprawia się zdecydowaną większość naszych upraw, to jest to praktycznie niewypał. Nowe odmiany pszenicy muszą być produktywne w żywiołach, aby rolnicy mogli je przyjąć.
„Testy w terenie są niezwykle istotne” – mówi Hickey. „Musimy to mieć i mieć pewność, że odmiany, które udostępniamy rolnikom, są sprawdzone i mają udokumentowane doświadczenie. Muszą jeszcze przejść trzy–cztery lata oceny w terenie”.
Mimo to, nawet obliczając na podstawie kilkuletnich testów terenowych, Hickey szacuje, że szybka hodowla może zmieścić się w czterech lub pięciu cyklach hodowlanych przed 2050 r., kiedy populacja będzie ma przekroczyć dziewięć miliardów a zmiany klimatyczne będą odczuwalne na całym świecie. Mamy nadzieję, że w ciągu najbliższych kilku dekad hodowcy będą w stanie wyhodować odmiany wystarczająco odporne, aby wytrzymać warunki, jakie rzuca na nie środowisko.
Hickey Lab/Uniwersytet Queensland
„Pogoda i klimat zawsze w pewnym stopniu się zmieniają, ale teraz widzimy, że klimat tak się zmienia zmieniają się szybciej i być może w rezultacie obserwujemy bardziej ekstremalne warunki pogodowe” – Brummer mówi. „Być może nowe odmiany dostosowane do konkretnego regionu muszą być bardziej ostre, dlatego będziemy musieli rozmnażać się szybciej i rozwijać więcej odmian niż w przeszłości. Właśnie tam ta metoda może pomóc. Przyda się wszystko, co możesz zrobić, aby skrócić czas wypuszczenia na pole nowych odmian roślin”.
Zbliżające się wyzwania
Jak dotąd hodowla szybka wykazała największy potencjał w przypadku gatunków o długim dniu, które kwitną w odpowiedzi na dłuższy dzień dni, co daje Hickeyowi i jego współpracownikom pewność, że będzie działać z roślinami takimi jak słonecznik, pieprz i rzodkiewka.
„Trudniej będzie zastosować szybką hodowlę gatunków o krótkim dniu, takich jak ryż, kukurydza i sorgo” – mówi – „ale myślę, że jest jeszcze miejsce na optymalizację systemu szybkiej jazdy. To tylko kwestia dostosowania reżimów fotoperiodycznych i temperaturowych.”
W rzeczywistości, mimo że orzeszki ziemne są gatunkiem „krótkiego dnia”, niektórzy badacze wykazali już, że szybkie rozmnażanie przynosi korzyści również tym roślinom strączkowym.
„Od wielu lat z powodzeniem stosujemy technikę szybkiego rozmnażania orzeszków ziemnych opracowaną przez badaczy z UQ” – mówi Graeme Wright, hodowca z Peanut Company of Australia. Wright uważa, że długie przerwy świetlne stosowane w szybkiej hodowli mogą w rzeczywistości powodować selekcję pojedynczych roślin niewrażliwych na długość dnia, co jego zdaniem mówi, że jest to „cecha pożądana, ponieważ oznacza… rozwinięte odmiany powinny wykazywać szerokie przystosowanie do szerokości geograficznej, a wzrost reprodukcyjny nie zależy od dnia” długość."
CRISPR i nie tylko
Tę nową metodę należy postrzegać jako amunicję, którą hodowcy mogą dodać do rosnącego arsenału broni genetycznej. W ciągu ostatnich kilku lat postęp w genomice umożliwił naukowcom korzystanie z narzędzi do edycji genów, takich jak CRISPR modyfikować genomy, aby uwzględnić takie rzeczy jak odporność na suszę i wyższe odżywianie.
„Hodowla szybkościowa to jedno z narzędzi w oborze” – mówi Hickey. „Prawdziwy wpływ będzie wynikał z połączenia tego narzędzia z innymi posiadanymi przez nas technologiami, które szybko ewoluują w przestrzeni hodowli roślin. CRISPR, narzędzia genomiki, selekcja i przewidywanie genomu.”
Naukowcy zdają sobie jednak sprawę, że nie będzie łatwo nakłonić wszystkich hodowców do przejścia na tryb szybkiej hodowli. Stare nawyki trudno wykorzenić, a naukowcy są z natury sceptyczni. Dodaj do tego zmiany w infrastrukturze niezbędne do przejścia na taką metodę, a stanie się jasne, że przed nami wyboista droga. Mimo to, w swoim niedawno opublikowanym artykule Hickey i Wright mają nadzieję, że inni hodowcy i badacze dostrzegą potencjał w ich technice.
Osobom zainteresowanym adopcją szybkiej hodowli Hickey ma prostą sugestię, od czego zacząć: „Po prostu zostaw włączone światło, kolego”.
Zalecenia redaktorów
- Aby zrobić więcej miejsca dla zwierząt gospodarskich, Holendrzy przeniosą krowy na pływającą farmę
