Hur "Speed ​​Breeding"-grödor kunde revolutionera jordbruket

hastighet förädling av grödor revolutionerar jordbruket john innes center lee hickey 15162 16x9
De säger att hastigheten dödar, men när det kommer till odla tillräckligt med mat för vår framtid, hastighet kan betyda skillnaden mellan fest och svält. Lyckligtvis finns det en grupp forskare med sin ökända fot på pedalen.

Dessa forskare nyligen publicerade en artikel som beskriver en ny växtförädlingsteknik som kan revolutionera vårt sätt att odla grödor och påskynda hastigheten med vilken vi kan utveckla hårdare, friskare och mer mångsidiga växter inför klimatförändringarna. När klimatet förändras, förändras också en växts produktivitet i en viss region. Nyckeln till vår välnära framtid kan vara en mängd motståndskraftiga grödor som kan växa under olika miljöförhållanden.

"Många forskare sa att detta var omöjligt. Det var en så radikal idé att de sa till oss att vi inte kunde göra det."

"Tillväxttakten i de flesta växtförädlingsprogram släpar efter kraven från en växande befolkning," Brande Wulff, en grödegenetiker vid John Innes Center i Storbritannien och en författare till tidningen, berättar för Digital Trends. "Genom att påskynda grödans tillväxt och reproduktion kommer forskare och uppfödare runt om i världen att kunna snabbare förädla och konstruera växter som är mer näringsrika, motstår sjukdomar och som är bättre anpassade till morgondagens klimat."

Lämpligt kallad "hastighetsuppfödning" har metoden redan visat sig odla vete - från frö till frö - på bara åtta veckor. Det är tre gånger snabbare än avelstekniken som utlöste Grön revolution. Även om de fortfarande är i tonåren, har resultaten av snabbuppfödning några analytiker som pekar på det som ett avgörande verktyg i en ny jordbruksera.

Outer Space Origins

Det är kanske ingen överraskning att konceptet med hastighetsuppfödning har sitt ursprung hos NASA. Medan man funderar över sätt att odla vete i yttre rymden, byråforskare hade denna galna idé - varför inte drapera växterna i konstant ljus, ge dem möjlighet att mogna snabbare? Växter, trots allt, älskar ljus. De längtar efter det, knastrar fotoner tillsammans med koldioxid och vatten för att skapa de sockerarter de behöver för att växa. Kontinuerligt ljus kan innebära kontinuerlig tillväxt. Enkelt, eller hur?

snabba odling av grödor revolutionerar jordbruket john innes center lee hickey 15153
hastighetsförädling revolutionerar jordbruket john innes center lee hickey 15159

Dr Brande Wulff (till vänster) och Dr Lee Hickey tittar på snabbfödda vetegrödor. Foto: Hickey Lab/University of Queensland

"Många forskare sa att detta var omöjligt," Lee Hickey, en odlingsforskare vid University of Queensland och en av de första som antog NASA: s plan för ett decennium sedan, berättar för Digital Trends. "Det var en så radikal idé att de sa till oss att vi inte kunde göra det."

Men Lee och hans team var oberörda av nej-sägarna. Trogen den vetenskapliga metoden "gav de en chans", designade experiment för att testa om intensiva ljusregimer skulle öka växternas produktivitet.

Det gjorde det inte. När forskarna först odlade vete i ett snabbförädlingssystem, "såg de fruktansvärt ut", säger Hickey, "riktigt knäppa." Men genom en serie experiment som optimerade saker som näring, vattenförsörjning, ljusfrekvens och växthustemperatur, började gräset mogna snabbare och mer passande och uppvisade till och med mer spannmålsproduktivitet än konventionellt odlat växthus vete.

Lee, Wright och deras kollegor, inklusive forskare från University of Sydney, bestämde sig för en ljusregim som skulle få även de mest hängivna soldyrkare att böja sig. "Långdagsgrödor" som vete, korn och kikärter (som blommar som svar på längre dagscykler) är exponeras för så mycket som 22 timmars kontinuerligt ljus per dag, strålade ner från LED-lampor som hängde ovanför växten sängar.

Need for Speed

Enligt hastighetsförädlingsprotokollet kan växter som vete gå från frö till frö på bara åtta veckor, vilket innebär att uppfödare kan växa upp till sex generationer varje år.

"Den verkliga innovationen som de visar här är att kunna vända generationer väldigt snabbt. Det är en nyckelaspekt av växtförädling."

"Den verkliga innovationen som de visar här är att kunna vända generationer mycket snabbt," Charles Brummer, en UC Davis gröda scientist och tidigare president för Crops Science Society of America, som inte var involverad i studien, säger. "Det är en nyckelaspekt av växtförädling."

Med varje ny generation försöker forskare att avla med önskvärda egenskaper samtidigt som de avlar fram oönskade. Ju snabbare de kan ta en generation från frö till frö, desto snabbare kan de ta bort oönskade egenskaper samtidigt som de främjar önskade.

Ta till exempel pre-harvest groning (PHS), ett fenomen som gör att vete gror i förtid på grund av långvarig nederbörd och hög luftfuktighet.

"Detta är ett stort problem i Australien eftersom alla våra sorter är mottagliga", säger Hickey.

Mottaglighet för PHS styrs åtminstone delvis av genetik, så genom att selektivt förädla och korsa olika vete sorter, strävar forskare efter att eliminera den genetiska egenskapen, vilket gör framtida vetegenerationer mer motståndskraftiga mot hög nederbörd och fuktighet. Företaget Dow AgroSciences har redan anammat hastighetsförädlingstekniken och utvecklat en mängd vete med resistens mot PHS.

Så här enkelt är det: Öka en grödas frö-till-frö-hastighet och du gör det lättare för uppfödare att utveckla önskvärda grödor. Öka det tre gånger och du ger dem ett exceptionellt verktyg för att skapa elitgrödor.

Växtförädling i rymdåldern lyser upp vägen för framtida grödor

"Många gener för sjukdomsresistens kan hittas i vilda släktingar till våra domesticerade växter", säger Wulff, "men korsar en sjukdomsresistensgen från ett vildvete till en domesticerad elitkultivar är som att föda upp en kapplöpningshäst med en åsna! Det tar många, många år... att kombinera det bästa av två världar. Hastighetsförädling kan påskynda denna process och förkorta tiden som krävs för att utveckla en ny vetesort med överlägsna egenskaper."

Brummer uttrycker det rakt på sak. "Att röra sig snabbare är namnet på spelet", säger han. "Det här är ett sätt att gå mycket snabbare."

Drömmarnas fält

Det mesta av vetet som ingår i vår pasta och vårt bröd odlas dock inte i växthus, och det finns mycket som följer de inledande förädlingsstadierna.

"Den verkliga effekten kommer från att kombinera detta verktyg med andra tekniker vi har som snabbt utvecklas i växtförädlingsutrymmet."

"På någon nivå, oavsett vilka genomiska verktyg du använder, måste du sätta växter i fält och se hur de presterar," förklarar Brummer.

Det är i fält som växthusexperimenten sätts på prov. En grödesort kan fungera bra i en artificiell miljö, där temperatur, vattentillförsel och ljusregimer är lätta reglerad, men om den inte trivs ute på fältet, där den stora majoriteten av våra grödor odlas, så är det praktiskt taget en dud. Nya vetesorter måste vara produktiva ute i väder och vind för att bönderna ska kunna ta sig an dem.

"Fälttestning är så kritisk", säger Hickey. "Vi måste ha det och se till att de sorter vi släpper till bönder är beprövade och har en bevisad meritlista. De måste fortfarande gå igenom dessa tre eller fyra år av fältutvärdering."

Ändå, även om man räknar under de få åren av fälttester, uppskattar Hickey att hastighetsuppfödning kan pressa in fyra eller fem avelscykler före 2050, när populationen är förväntas överstiga nio miljarder och klimatförändringarna kommer att vara påtagliga över hela världen. Förhoppningen är att uppfödare under de närmaste decennierna kan utveckla sorter som är tillräckligt motståndskraftiga för att stå emot vad miljön kastar på dem.

hastighet förädling av grödor revolutionerar jordbruket john innes center lee hickey 15154 1 16x9
hastighet förädling av grödor revolutionerar jordbruket john innes center lee hickey 15158 16x9
hastighetsförädling revolutionerar jordbruket john innes center lee hickey 15157
snabba odling av grödor revolutionerar jordbruket john innes center lee hickey 15156

Hickey Lab/University of Queensland

– Vädret och klimatet förändras alltid till viss del, men det vi ser nu är att klimatet är det förändras snabbare, och kanske ser vi mer extremt väder som en konsekvens av det, säger Brummer säger. "Kanske behöver de nya sorter som är anpassade till en viss region vara mer akuta, så vi måste föda upp snabbare och utveckla fler sorter än tidigare. Det är där den här metoden kan hjälpa. Allt du kan göra för att förkorta den tiden för att få ut nya växtsorter på fältet kommer att vara användbart.”

Utmaningar framöver

Hittills har snabbavel visat den största potentialen i långdagsarter som blommar som svar på längre dagar, vilket gör Hickey och hans kollegor övertygade om att det kommer att fungera med växter som solros, peppar och rädisa.

"Det kommer att bli svårare att tillämpa snabbförädling på "kortdags"-arter som ris, majs och sorghum, säger han, "men jag tror att det finns utrymme för optimering av ett snabbcykelsystem. Det är bara en fråga om att justera fotoperioden och temperaturregimerna."

I själva verket, trots att jordnötter är en "kort dag"-art, har vissa forskare redan visat att snabbavel också gynnar dessa baljväxter.

"Vi har framgångsrikt använt hastighetsförädlingstekniken som utvecklats av UQ-forskare inom jordnöt under ett antal år nu", säger Graeme Wright, en uppfödare på Peanut Company of Australia. Wright tror att de långa ljusintervallen som används vid hastighetsförädling faktiskt kan vara att välja enskilda växter med okänslighet för daglängd, vilket han säger är "en önskvärd egenskap eftersom det betyder... sorter som utvecklas bör ha bred anpassning till latitud, med reproduktiv tillväxt inte beroende av dag längd."

CRISPR and Beyond

Denna nya metod ska ses som ammunition som uppfödare kan lägga till en växande arsenal av genetiska vapen. Under de senaste åren har framsteg inom genomik gjort det möjligt för forskare att använda genredigeringsverktyg som CRISPR att modifiera genom för att inkludera saker som torkamotstånd och högre näring.

"Hastighetsuppfödning är ett verktyg i skjulet", säger Hickey. "Den verkliga effekten kommer från att kombinera detta verktyg med andra teknologier vi har som snabbt utvecklas i växtförädlingsutrymmet. CRISPR, genomikverktyg, genomiskt urval och förutsägelse."

Men forskarna inser att det inte kommer att vara lätt att omvandla alla uppfödare till snabbuppfödningsregimen. Gamla vanor dör hårt och forskare är till sin natur skeptiska. Lägg därtill de infrastrukturförändringar som krävs för att övergå till en sådan metod, och det är uppenbart att det finns en gropig väg framför dig. Ändå hoppas Hickey och Wright med sin nyligen publicerade artikel att andra uppfödare och forskare kommer att se potentialen i deras teknik.

Till dem som är intresserade av att ta till sig hastighetsuppfödning har Hickey ett enkelt förslag på hur man börjar - "Låt bara lamporna vara tända, kompis."

Redaktörens rekommendationer

  • För att få mer plats för boskap kommer holländarna att flytta kor till en flytande gård