Kako bi lahko "hitra vzgoja" pridelkov revolucionirala kmetijstvo

Pravijo, da hitrost ubija, a ko gre za pridelati dovolj hrane za našo prihodnost, bi lahko hitrost pomenila razliko med pojedino in lakoto. Na srečo obstaja skupina znanstvenikov s svojo pregovorno nogo na pedalu.

Ti znanstveniki pred kratkim objavil članek, ki podrobno opisuje novo tehniko žlahtnjenja rastlin ki lahko revolucionira način gojenja pridelkov in pospeši hitrost, s katero lahko razvijemo bolj trdovratne, bolj zdrave in vsestransko uporabne rastline glede na podnebne spremembe. S spreminjanjem podnebja se spreminja tudi produktivnost rastline v določeni regiji. Ključ do naše dobro hranjene prihodnosti so lahko različni odporni pridelki, ki lahko rastejo v različnih okoljskih razmerah.

"Stopnja dobička v večini programov žlahtnjenja pridelkov zaostaja za zahtevami, ki jih predstavlja naraščajoče prebivalstvo," Brande Wulff, genetik za pridelke v centru John Innes v Združenem kraljestvu in avtor prispevka, pravi Digital Trends. »S pospeševanjem rasti in razmnoževanja pridelkov bodo znanstveniki in rejci po vsem svetu lahko hitreje vzgojite in ustvarite rastline, ki so bolj hranljive, odporne proti boleznim in so bolje prilagojene jutrišnjemu podnebje."

Ustrezno poimenovana »hitra žlahtnjenja«, metoda se je že izkazala za pridelavo pšenice - od semena do semena - v samo osmih tednih. To je trikrat hitreje od tehnike vzreje, ki je sprožila Zelena revolucija. Čeprav je še vedno v adolescenci, nekateri analitiki kažejo na rezultate hitre vzreje kot na ključno orodje v prihajajoči novi kmetijski dobi.

Izvor vesolja

Morda ni presenetljivo, da koncept hitrega razmnoževanja izvira iz Nase. Med razmišljanjem o načinih pridelave pšenice v vesolje, so znanstveniki agencije imeli to noro idejo - zakaj pa ne rastline postavite na stalno svetlobo, ki jim daje moč za hitrejše zorenje? Navsezadnje imajo rastline radi svetlobo. Hrepenijo po tem, fotone zdrobijo skupaj z ogljikovim dioksidom in vodo, da ustvarijo sladkorje, ki jih potrebujejo za rast. Stalna svetloba lahko pomeni stalno rast. Preprosto, kajne?

"Veliko znanstvenikov je reklo, da je to nemogoče," Lee Hickey, znanstvenik za pridelke na Univerzi v Queenslandu in eden prvih, ki je pred desetletjem sprejel Nasin načrt, pravi za Digital Trends. "To je bila tako radikalna ideja, da so nam rekli, da tega ne moremo narediti."

Toda Leeja in njegove ekipe negativci niso zmotili. Zvesti znanstveni metodi so se »preizkusili« in načrtovali eksperimente, da bi preverili, ali bi intenzivni svetlobni režimi povečali produktivnost rastlin.

Ni se. Ko so znanstveniki prvič gojili pšenico v sistemu hitrega žlahtnjenja, so bile "izgledale grozno," pravi Hickey, "res tečne." Toda skozi vrsto poskusov, ki so optimizirali stvari, kot je prehrana, oskrba z vodo, frekvenca svetlobe in temperatura v rastlinjaku, so trave začele zoreti hitreje in primerneje, celo pokazale so večjo produktivnost zrn kot običajno gojene v rastlinjaku pšenica.

Lee, Wright in njihovi kolegi, vključno z raziskovalci z Univerze v Sydneyju, so se odločili za lahek režim, zaradi katerega bi se odrekli celo najbolj predani častilci Sonca. Pridelki z dolgim ​​dnem, kot so pšenica, ječmen in čičerika (ki cvetijo kot odziv na daljše dnevne cikle), so izpostavljeni do 22 ur neprekinjene svetlobe na dan, ki jo osvetljujejo LED luči, obešene nad rastjem postelje.

Potreba po hitrosti

V skladu s protokolom hitrega žlahtnjenja lahko rastline, kot je pšenica, preidejo od semena do semena v samo osmih tednih, kar pomeni, da lahko žlahtnitelji vsako leto vzgojijo do šest generacij.

"Prava inovacija, ki jo prikazujejo tukaj, je, da lahko zelo hitro zamenjajo generacije," Charles Brummer, znanstvenik za pridelke UC Davis in nekdanji predsednik ameriškega združenja znanosti o pridelkih, ki ni bil vključen v študijo, pravi. "To je ključni vidik žlahtnjenja rastlin."

Z vsako novo generacijo raziskovalci poskušajo vzrejati zaželene lastnosti, medtem ko vzrejajo nezaželene. Hitreje kot lahko vzamejo generacijo od semena do semena, hitreje lahko odstranijo neželene lastnosti in hkrati spodbujajo želene.

Vzemimo za primer kaljenje pred žetvijo (PHS), pojav, ki povzroči prezgodnje kalitev pšenice zaradi dolgotrajnih padavin in visoke vlažnosti.

"V Avstraliji je to velik problem, ker so vse naše sorte dovzetne," pravi Hickey.

Dovzetnost za PHS je vsaj delno nadzorovana z genetiko, torej s selektivnim vzrejo in križanjem različnih pšenic Raziskovalci nameravajo odpraviti to genetsko lastnost, s čimer bodo prihodnje generacije pšenice postale bolj odporne na močne padavine in vlažnost. Podjetje Dow AgroSciences je že prevzelo tehniko hitre žlahtnjenja in razvilo sorto pšenice z odpornostjo na PHS.

Tako preprosto je: povečajte hitrost pridelka od semena do semena in žlahtniteljem boste olajšali razvoj želenih pridelkov. Povečajte ga za trikrat in dobili boste izjemno orodje za ustvarjanje elitnih pridelkov.

»Veliko genov za odpornost na bolezni je mogoče najti v divjih sorodnikih naših udomačenih poljščin,« pravi Wulff, »vendar križanje gen za odpornost na bolezni iz divje pšenice v udomačeno elitno sorto je kot parjenje dirkalnega konja z oslom! Potrebujemo veliko, veliko let... da združimo najboljše iz obeh svetov. Hitro žlahtnjenje lahko pospeši ta proces in skrajša čas, potreben za razvoj nove sorte pšenice z vrhunskimi lastnostmi.«

Brummer to odkrito pove. "Hitrejše premikanje je ime igre," pravi. "To je eden od načinov za veliko hitrejše premikanje."

Polja sanj

Večina pšenice, ki jo uporabimo za naše testenine in kruh, pa ni pridelana v rastlinjakih, veliko pa je tistega, ki sledi začetnim fazam žlahtnjenja.

"Na neki ravni, ne glede na genomska orodja, ki jih uporabljate, morate rastline postaviti na polje in videti, kako delujejo," pojasnjuje Brummer.

Poskusi v rastlinjaku se preizkušajo na terenu. Sorta pridelka se lahko dobro obnese v umetnem okolju, kjer so temperatura, oskrba z vodo in svetlobni režimi enostavni reguliran, če pa ne uspeva na njivi, kjer raste velika večina naših pridelkov, potem je to praktično dud. Nove sorte pšenice morajo biti produktivne v elementih, da jih lahko kmetje sprejmejo.

"Terensko testiranje je tako kritično," pravi Hickey. »To moramo imeti in zagotoviti, da so sorte, ki jih dajemo kmetom, preverjene in imajo dokazane rezultate. Še vedno morajo iti skozi ta tri ali štiri leta ocenjevanja na terenu.«

Kljub temu, tudi če izračunamo v nekaj letih testiranja na terenu, Hickey ocenjuje, da lahko hitra vzreja doseže štiri ali pet vzrejnih ciklov pred letom 2050, ko bo populacija naj bi presegla devet milijard in podnebne spremembe bodo oprijemljive po vsem svetu. Upamo, da bodo lahko žlahtnitelji v naslednjih nekaj desetletjih razvili sorte, ki bodo dovolj odporne, da bodo zdržale vse, kar jim prinaša okolje.

»Vreme in podnebje se vedno do neke mere spreminjata, a zdaj vidimo, da se podnebje spreminja spreminjajo hitreje in morda smo zaradi tega priča bolj ekstremnemu vremenu,« Brummer pravi. »Mogoče morajo biti nove sorte, ki so prilagojene določeni regiji, bolj akutne, zato bomo morali žlahtiti hitreje in razviti več sort kot v preteklosti. Tukaj bi ta metoda lahko pomagala. Koristno bo vse, kar lahko storite, da skrajšate ta čas, da na polje spravite nove sorte rastlin.«

Prihodnji izzivi

Doslej je hitrostno razmnoževanje pokazalo največji potencial pri vrstah z dolgim ​​dnevom, ki cvetijo kot odgovor na daljši dan dni, zaradi česar so Hickey in njegovi kolegi prepričani, da bo deloval z rastlinami, kot so sončnice, poper in redkev.

»Težje bo uporabiti hitrostno žlahtnjenje za vrste 'kratkega dne', kot so riž, koruza in sirek,« pravi, »vendar menim, da obstaja prostor za optimizacijo sistema hitrega cikla. Gre le za prilagajanje fotoperiode in temperaturnih režimov.«

Kljub temu, da so arašidi vrsta "kratkega dne", so nekateri raziskovalci že pokazali, da hitro razmnoževanje koristi tudi tem stročnicam.

"Že nekaj let uspešno uporabljamo tehniko hitrega žlahtnjenja, ki so jo razvili raziskovalci UQ za arašide," pravi Graeme Wright, žlahtnitelj pri Peanut Company of Australia. Wright meni, da lahko dolgi svetlobni intervali, ki se uporabljajo pri hitrem žlahtnjenju, dejansko izbirajo posamezne rastline z neobčutljivostjo na dolžino dneva, kar je po njegovem pravi, da je »zaželena lastnost, saj pomeni... razvite sorte bi morale imeti široko prilagoditev zemljepisni širini, pri čemer reprodukcijska rast ni odvisna od dneva dolžina."

CRISPR in naprej

Na to novo metodo je treba gledati kot na strelivo, ki ga lahko rejci dodajo naraščajočemu arzenalu genskega orožja. V zadnjih nekaj letih je napredek v genomiki znanstvenikom omogočil uporabo orodij za urejanje genov, kot je CRISPR za spreminjanje genomov, da vključujejo stvari, kot so odpornost na sušo in višjo hranilno vrednost.

"Hitro vzrejo je eno orodje v lopi," pravi Hickey. »Pravi učinek bo dosežen s kombinacijo tega orodja z drugimi tehnologijami, ki jih imamo in se hitro razvijajo v prostoru za žlahtnjenje rastlin. CRISPR, genomska orodja, genomska selekcija in napovedovanje.«

Toda raziskovalci priznavajo, da ne bo enostavno spremeniti vseh rejcev v režim hitre vzreje. Stare navade težko umrejo in znanstveniki so sami po sebi skeptični. Če k temu dodamo spremembe infrastrukture, ki so potrebne za prehod na takšno metodo, je jasno, da je pred nami težavna pot. Kljub temu Hickey in Wright s svojim nedavno objavljenim člankom upata, da bodo drugi rejci in raziskovalci videli potencial v njuni tehniki.

Tistim, ki jih zanima hitra vzreja, ima Hickey preprost predlog, kako začeti - "Samo pusti prižgane luči, prijatelj."

Priporočila urednikov

• Da bi imeli več prostora za živino, bodo Nizozemci krave preselili na plavajočo farmo