พืชผล "การปรับปรุงพันธุ์อย่างรวดเร็ว" สามารถปฏิวัติการเกษตรได้อย่างไร

พวกเขาบอกว่าความเร็วฆ่า แต่เมื่อมันมาถึง ปลูกอาหารให้เพียงพอสำหรับอนาคตของเราความเร็วอาจสะกดความแตกต่างระหว่างงานฉลองและความอดอยาก โชคดีที่มีนักวิทยาศาสตร์กลุ่มหนึ่งเหยียบคันเร่งเป็นสุภาษิต

นักวิทยาศาสตร์เหล่านี้เมื่อเร็ว ๆ นี้ ตีพิมพ์บทความเกี่ยวกับเทคนิคการปรับปรุงพันธุ์พืชแบบใหม่ ที่อาจปฏิวัติวิธีที่เราปลูกพืชผลและเร่งอัตราที่เราสามารถพัฒนาพืชที่แข็งแรงขึ้น มีสุขภาพดีขึ้น และมีความหลากหลายมากขึ้นเมื่อเผชิญกับการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ เมื่อสภาพอากาศเปลี่ยนแปลง ผลผลิตของพืชในภูมิภาคที่กำหนดก็เช่นกัน กุญแจสำคัญสู่อนาคตที่ได้รับอาหารที่ดีของเราอาจเป็นพืชผลที่สามารถเติบโตได้ในสภาพแวดล้อมที่หลากหลาย

“อัตราการได้รับในโครงการปรับปรุงพันธุ์พืชส่วนใหญ่ยังล้าหลังกว่าความต้องการของประชากรที่เพิ่มขึ้น” แบรนเด วูล์ฟนักพันธุศาสตร์พืชที่ John Innes Centre ในสหราชอาณาจักรและเป็นผู้เขียนรายงานฉบับนี้ บอกกับ Digital Trends “ด้วยการเร่งการเจริญเติบโตและการสืบพันธุ์ของพืช นักวิทยาศาสตร์และผู้เพาะพันธุ์ทั่วโลกจะสามารถทำได้เร็วขึ้น เพาะพันธุ์และออกแบบพืชที่มีคุณค่าทางโภชนาการมากกว่า ต้านทานโรค และปรับให้เข้ากับอนาคตได้ดีขึ้น ภูมิอากาศ."

วิธีการนี้ได้รับการตั้งชื่ออย่างเหมาะสมว่า "การผสมพันธุ์แบบรวดเร็ว" ซึ่งแสดงให้เห็นว่าสามารถปลูกข้าวสาลีจากเมล็ดสู่เมล็ดได้ภายในเวลาเพียงแปดสัปดาห์ ซึ่งเร็วกว่าเทคนิคการผสมพันธุ์ที่จุดประกายถึงสามเท่า การปฏิวัติสีเขียว. แม้ว่าจะยังอยู่ในช่วงวัยรุ่น แต่ผลการขยายพันธุ์อย่างรวดเร็วมีนักวิเคราะห์บางคนชี้ว่าสิ่งนี้เป็นเครื่องมือสำคัญในการมาถึงของยุคเกษตรกรรมใหม่

ต้นกำเนิดอวกาศ

บางทีก็ไม่น่าแปลกใจเลยที่แนวคิดการผสมพันธุ์ความเร็วมีต้นกำเนิดที่ NASA พร้อมระดมความคิดหาทางปลูกข้าวสาลีเข้ามา นอกโลกนักวิทยาศาสตร์หน่วยงานมีความคิดบ้าๆ นี้ ทำไมจะไม่ได้ล่ะ ประดับต้นไม้ด้วยแสงคงที่ทำให้พวกเขาเติบโตได้เร็วยิ่งขึ้นใช่ไหม? พืชก็ชอบแสงเช่นกัน พวกมันกระหายมัน โดยบดโฟตอนร่วมกับคาร์บอนไดออกไซด์และน้ำเพื่อสร้างน้ำตาลที่พวกมันต้องการในการเจริญเติบโต แสงต่อเนื่องอาจหมายถึงการเติบโตอย่างต่อเนื่อง ง่ายใช่มั้ย?

“นักวิทยาศาสตร์หลายคนบอกว่านี่เป็นไปไม่ได้” ลี ฮิกกี้นักวิทยาศาสตร์ด้านพืชผลจากมหาวิทยาลัยควีนส์แลนด์ และเป็นหนึ่งในคนกลุ่มแรกๆ ที่นำแผนของ NASA มาปรับใช้เมื่อทศวรรษที่แล้ว บอกกับ Digital Trends “มันเป็นความคิดที่ต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิงที่พวกเขาบอกเราว่าเราทำไม่ได้”

แต่ลีและทีมของเขาไม่รู้สึกสะทกสะท้านกับคำพูดที่ไม่เป็นมิตร ตามวิธีการทางวิทยาศาสตร์ พวกเขา "ลองทำดู" โดยออกแบบการทดลองเพื่อทดสอบว่าระบบการให้แสงแบบเข้มข้นจะช่วยเพิ่มผลผลิตของพืชได้หรือไม่

มันไม่ได้ เมื่อนักวิทยาศาสตร์ปลูกข้าวสาลีโดยใช้ระบบการปรับปรุงพันธุ์อย่างรวดเร็ว “พวกมันดูแย่มาก” ฮิคกี้กล่าว “เหลวไหลจริงๆ” แต่ด้วยการทดลองหลายครั้ง ที่ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพสิ่งต่างๆ เช่น โภชนาการ การจ่ายน้ำ ความถี่แสง และอุณหภูมิเรือนกระจก ทำให้หญ้าเริ่มเจริญเติบโตอย่างรวดเร็วและเหมาะสม แม้จะแสดงผลผลิตของเมล็ดพืชมากกว่าเรือนกระจกที่ปลูกแบบปกติ ข้าวสาลี.

ลี ไรท์ และเพื่อนร่วมงาน รวมทั้งนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยซิดนีย์ ได้ตกลงใจกับระบอบการปกครองแบบเบา ๆ ที่จะทำให้แม้แต่ผู้นับถือดวงอาทิตย์ผู้เคร่งครัดที่สุดต้องชะงัก พืชผล “วันที่ยาวนาน” เช่น ข้าวสาลี ข้าวบาร์เลย์ และถั่วชิกพี (ซึ่งออกดอกเพื่อตอบสนองต่อวงจรวันที่ยาวนานกว่า) เปิดรับแสงต่อเนื่องได้มากถึง 22 ชั่วโมงต่อวัน โดยส่องลงมาจากโคมไฟ LED ที่แขวนอยู่เหนือต้น เตียง

ความต้องการความเร็ว

ภายใต้ระเบียบการเร่งการปรับปรุงพันธุ์ พืชเช่นข้าวสาลีสามารถเพาะจากเมล็ดหนึ่งไปอีกเมล็ดได้ภายในเวลาเพียงแปดสัปดาห์ ซึ่งหมายความว่าผู้เพาะพันธุ์สามารถเติบโตได้ถึงหกชั่วอายุคนทุกปี

“นวัตกรรมที่แท้จริงที่พวกเขาแสดงที่นี่คือความสามารถในการเปลี่ยนรุ่นได้อย่างรวดเร็ว” ชาร์ลส บรูมเมอร์นักวิทยาศาสตร์ด้านพืชผลของ UC Davis และอดีตประธานสมาคมวิทยาศาสตร์พืชผลแห่งอเมริกา ซึ่งไม่ได้เกี่ยวข้องกับการศึกษานี้กล่าว “นั่นคือสิ่งสำคัญในการปรับปรุงพันธุ์พืช”

ในแต่ละรุ่นใหม่ นักวิจัยพยายามที่จะผสมพันธุ์ในลักษณะที่พึงประสงค์ในขณะเดียวกันก็เพาะพันธุ์ลักษณะที่ไม่พึงประสงค์ออกไป ยิ่งพวกเขาสามารถสืบทอดรุ่นต่อรุ่นได้เร็วเท่าไร พวกเขาสามารถกำจัดลักษณะที่ไม่พึงประสงค์ได้เร็วยิ่งขึ้นพร้อมทั้งส่งเสริมคุณสมบัติที่ต้องการด้วย

ยกตัวอย่างเช่น การแตกหน่อก่อนการเก็บเกี่ยว (PHS) ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่ทำให้ข้าวสาลีงอกก่อนเวลาอันควรเนื่องจากฝนตกเป็นเวลานานและมีความชื้นสูง

“นี่เป็นปัญหาใหญ่ในออสเตรเลียเพราะพันธุ์ของเราทั้งหมดมีความอ่อนไหว” Hickey กล่าว

ความไวต่อ PHS อย่างน้อยที่สุดก็ถูกควบคุมบางส่วนโดยพันธุกรรม ดังนั้นโดยการคัดเลือกพันธุ์และข้ามข้าวสาลีชนิดต่างๆ นักวิจัยตั้งเป้าที่จะกำจัดลักษณะทางพันธุกรรมดังกล่าว ทำให้ข้าวสาลีรุ่นต่อไปในอนาคตมีความยืดหยุ่นต่อปริมาณน้ำฝนที่สูง และ ความชื้น. บริษัท Dow AgroSciences ได้นำเทคนิคการปรับปรุงพันธุ์โดยเร็วมาใช้ และพัฒนาข้าวสาลีหลากหลายชนิดที่มีความต้านทานต่อ PHS

ง่ายมาก: เพิ่มความเร็วเมล็ดต่อเมล็ดของพืชผล และช่วยให้ผู้เพาะพันธุ์พัฒนาพืชผลที่ต้องการได้ง่ายขึ้น เพิ่มมันขึ้นสามเท่าและคุณจะมอบเครื่องมือที่ยอดเยี่ยมให้พวกเขาเพื่อสร้างพืชผลชั้นยอด

“ยีนต้านทานโรคหลายชนิดสามารถพบได้ในพืชป่าที่ปลูกในบ้านของเรา” Wulff กล่าว “แต่การข้าม ยีนต้านทานโรคจากข้าวสาลีป่าไปเป็นพันธุ์ชั้นสูงในบ้านก็เหมือนกับการผสมพันธุ์ม้าแข่งกับลา! ต้องใช้เวลาหลายปี...เพื่อรวมสิ่งที่ดีที่สุดของทั้งสองโลกเข้าด้วยกัน การปรับปรุงพันธุ์อย่างรวดเร็วสามารถเร่งกระบวนการนี้และลดเวลาที่ต้องใช้ในการพัฒนาพันธุ์ข้าวสาลีใหม่ที่มีลักษณะที่เหนือกว่า”

Brummer พูดอย่างตรงไปตรงมา “การเคลื่อนที่ให้เร็วขึ้นเป็นชื่อของเกม” เขากล่าว “นี่เป็นวิธีหนึ่งที่จะเคลื่อนที่เร็วขึ้นมาก”

ทุ่งแห่งความฝัน

อย่างไรก็ตาม ข้าวสาลีส่วนใหญ่ที่ใช้ทำพาสต้าและขนมปังของเราไม่ได้ปลูกในเรือนกระจก และมีหลายอย่างที่ตามมาในระยะเริ่มแรกของการผสมพันธุ์

“ในระดับหนึ่ง ไม่ว่าคุณจะใช้เครื่องมือจีโนมแบบใดก็ตาม คุณต้องนำพืชไปไว้ในแปลงและดูว่าพวกมันทำงานอย่างไร” Brummer อธิบาย

อยู่ในสนามที่มีการทดสอบเรือนกระจก พันธุ์พืชอาจทำงานได้ดีในสภาพแวดล้อมเทียม ซึ่งอุณหภูมิ น้ำประปา และระบอบแสงทำได้ง่าย ได้รับการควบคุม แต่หากมันไม่เจริญเติบโตในทุ่งนา ซึ่งเป็นที่ซึ่งพืชผลส่วนใหญ่ของเราปลูกกัน มันก็แทบจะเป็น คนโง่ ข้าวสาลีพันธุ์ใหม่จะต้องได้รับผลผลิตในองค์ประกอบเพื่อให้เกษตรกรสามารถนำไปปลูกได้

“การทดสอบภาคสนามมีความสำคัญมาก” Hickey กล่าว “เราจำเป็นต้องมีสิ่งนั้นและตรวจสอบให้แน่ใจว่าพันธุ์ที่เราปล่อยให้กับเกษตรกรนั้นได้รับการพิสูจน์และมีประวัติที่พิสูจน์แล้ว พวกเขายังต้องผ่านการประเมินภาคสนามสามหรือสี่ปีนั้น”

ถึงกระนั้น แม้จะคำนวณในช่วงสองสามปีของการทดสอบภาคสนาม Hickey ประมาณการว่าความเร็วในการผสมพันธุ์อาจบีบรัดในสี่หรือห้ารอบการผสมพันธุ์ก่อนปี 2050 ซึ่งเป็นช่วงที่ประชากรเพิ่มขึ้น คาดว่าจะเกินเก้าพันล้าน และการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศจะเกิดขึ้นทั่วโลก ความหวังก็คือในอีกไม่กี่ทศวรรษข้างหน้า ผู้ปรับปรุงพันธุ์สามารถพัฒนาพันธุ์ที่มีความยืดหยุ่นเพียงพอที่จะทนต่อสิ่งที่สภาพแวดล้อมขว้างใส่พวกมัน

“สภาพอากาศและสภาพอากาศเปลี่ยนแปลงอยู่เสมอในระดับหนึ่ง แต่สิ่งที่เราเห็นตอนนี้คือสภาพอากาศเปลี่ยนแปลงไป เปลี่ยนแปลงเร็วขึ้น และบางทีเราอาจจะได้เห็นสภาพอากาศที่รุนแรงมากขึ้นอันเป็นผลจากสิ่งนั้น” บรูมเมอร์ พูดว่า “บางทีพันธุ์ใหม่ที่ปรับให้เข้ากับภูมิภาคใดภูมิภาคหนึ่งจำเป็นต้องเข้มงวดมากขึ้น ดังนั้นเราจะต้องผสมพันธุ์ให้เร็วขึ้นและพัฒนาพันธุ์ให้มากขึ้นกว่าในอดีต นั่นคือจุดที่วิธีนี้สามารถช่วยได้ อะไรก็ตามที่คุณสามารถทำได้เพื่อลดระยะเวลาในการนำพันธุ์พืชใหม่ๆ ออกสู่สนามจะเป็นประโยชน์”

ความท้าทายข้างหน้า

จนถึงขณะนี้ การผสมพันธุ์แบบเร็วได้แสดงให้เห็นถึงศักยภาพที่ใหญ่ที่สุดในสายพันธุ์ที่มีวันยาวนานซึ่งจะออกดอกเพื่อตอบสนองต่อระยะเวลาที่นานกว่า ซึ่งทำให้ Hickey และเพื่อนร่วมงานของเขามั่นใจว่ามันจะใช้ได้กับพืชอย่างดอกทานตะวัน พริกไทย และ หัวไชเท้า

“การใช้การผสมพันธุ์แบบเร็วกับสายพันธุ์ 'วันสั้น' เช่น ข้าว ข้าวโพด และข้าวฟ่างจะเป็นเรื่องยากกว่า" เขากล่าว "แต่ผมคิดว่ายังมีพื้นที่สำหรับเพิ่มประสิทธิภาพของระบบการหมุนเวียนอย่างรวดเร็ว มันเป็นเพียงเรื่องของการปรับช่วงแสงและอุณหภูมิ”

ในความเป็นจริง แม้ว่าถั่วลิสงจะเป็นสายพันธุ์ "วันสั้น" แต่นักวิจัยบางคนได้แสดงให้เห็นแล้วว่าการปรับปรุงพันธุ์อย่างรวดเร็วนั้นมีประโยชน์ต่อพืชตระกูลถั่วเหล่านี้เช่นกัน

Graeme Wright ผู้เพาะพันธุ์ถั่วลิสงจากบริษัท Peanut Company of Australia กล่าวว่า "เราใช้เทคนิคการผสมพันธุ์แบบเร็วซึ่งพัฒนาโดยนักวิจัย UQ ในถั่วลิสงมาเป็นเวลาหลายปีแล้ว" ไรท์คิดว่าช่วงแสงที่ยาวนานซึ่งใช้ในการผสมพันธุ์ด้วยความเร็ว จริงๆ แล้วอาจเป็นการเลือกพืชแต่ละต้นที่ไม่ไวต่อความยาววัน ซึ่งเขา กล่าวว่า “ลักษณะอันพึงประสงค์ตามความหมาย…พันธุ์ที่พัฒนาแล้วควรมีการปรับตัวให้เข้ากับละติจูดเป็นวงกว้าง โดยการเจริญเติบโตของการสืบพันธุ์ไม่ขึ้นอยู่กับวัน ความยาว."

CRISPR และอื่น ๆ

วิธีการใหม่นี้ควรถูกมองว่าเป็นกระสุนที่ผู้เพาะพันธุ์สามารถเพิ่มคลังแสงอาวุธพันธุกรรมที่กำลังเติบโตได้ ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ความก้าวหน้าทางจีโนมิกส์ทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถใช้เครื่องมือแก้ไขยีนอย่างเช่น คริสปรา เพื่อปรับเปลี่ยนจีโนมให้รวมเอาสิ่งต่างๆ อย่างเช่น ต้านทานความแห้งแล้งและโภชนาการที่สูงขึ้น.

“การผสมพันธุ์โดยเร็วเป็นเครื่องมือหนึ่งในโรงเลี้ยง” Hickey กล่าว “ผลกระทบที่แท้จริงจะมาจากการผสมผสานเครื่องมือนี้เข้ากับเทคโนโลยีอื่นๆ ที่เรามีซึ่งมีการพัฒนาอย่างรวดเร็วในพื้นที่ปรับปรุงพันธุ์พืช CRISPR เครื่องมือจีโนมิกส์ การคัดเลือกจีโนม และการทำนาย”

แต่นักวิจัยตระหนักดีว่ามันไม่ง่ายเลยที่จะเปลี่ยนผู้เพาะพันธุ์ทั้งหมดให้หันมาใช้ระบบการเพาะพันธุ์แบบเร่ง นิสัยเก่าๆ ตายยาก และนักวิทยาศาสตร์ก็ไม่เชื่อโดยเนื้อแท้ นอกจากนี้ การเปลี่ยนแปลงโครงสร้างพื้นฐานที่จำเป็นในการเปลี่ยนไปใช้วิธีการดังกล่าว และชัดเจนว่ายังมีถนนที่เป็นหลุมเป็นบ่ออยู่ข้างหน้า อย่างไรก็ตาม จากรายงานที่ได้รับการตีพิมพ์เมื่อเร็วๆ นี้ Hickey และ Wright หวังว่าผู้เพาะพันธุ์และนักวิจัยคนอื่นๆ จะเห็นศักยภาพในเทคนิคของพวกเขา

สำหรับผู้ที่สนใจรับการผสมพันธุ์แบบเร็ว Hickey มีคำแนะนำง่ายๆ ในการเริ่มต้น — “เปิดไฟทิ้งไว้เลยเพื่อน”

คำแนะนำของบรรณาธิการ

• เพื่อเพิ่มพื้นที่ให้ปศุสัตว์ ชาวดัตช์จะย้ายวัวไปที่ฟาร์มลอยน้ำ