Lauksaimniecība saskaras ar vienu no lielākajām problēmām tās vēsturēLai saražotu pietiekami daudz pārtikas iedzīvotāju skaitam, kas tikai dažu desmitgažu laikā sasniegs gandrīz 9.700 miljardus cilvēku, uz siltākas, sausākas planētas ar arvien ekstremālākiem laikapstākļiem. Šajā kontekstā Sālsizturīgi tomāti Tie vairs nav zinātniska kuriozitāte un kļūst par ļoti reālu nepieciešamību daudzos pasaules lauksaimniecības reģionos.
Tajā pašā laikā augu biotehnoloģija, klasiskā ģenētiskā uzlabošana un labvēlīgo mikroorganismu izmantošana Viņi izstrādā virkni risinājumu, lai nodrošinātu, ka tādas svarīgas kultūras kā tomāti, graudaugi un krustziežu dzimtas augi saglabā rentabilitāti augsnēs ar augstu sāļuma līmeni un zemu ūdens stresu. Laboratorijas Spānijā, Čīlē un starptautiskos centros jau strādā ar savvaļas tomātiem, potcelmiem, rizobaktērijām un aizsardzības proteīniem, lai "aizsargātu" augus pret šiem abiotiskajiem stresiem.
Kāpēc sāļums ir kļuvis par steidzamu problēmu
Globālās temperatūras paaugstināšanās, sausuma periodu pastiprināšanās un apūdeņošanas ūdens ar augstu sāls saturu nepārtraukta izmantošana. Tie izraisa daudzu lauksaimniecības augsņu sāļuma kāpumu. Šī parādība ir īpaši spilgti dokumentēta sausos un daļēji sausos reģionos, piemēram, Čīles centrālajā un ziemeļu daļā, taču tā ietekmē arī Spānijas Vidusjūras reģionus un citas pasaules daļas, kur ūdens kļūst arvien mazāks un tā kvalitāte pasliktinās.
Augsnes sāļums ir viens no viskaitīgākajiem abiotiskajiem stresa faktoriem lauksaimniecības produktivitātei.Tādās kultūrās kā tomāti, palielinoties sāls koncentrācijai, tiek traucēti galvenie procesi: sēklu dīgšana, dīgstu spēks, veģetatīvā augšana, ziedēšana un augļu veidošanās. Tas viss izraisa zemāku ražu no hektāra un tomātu komerciālās kvalitātes samazināšanos.
Piemēram, Čīlē tiek lēsts, ka ir aptuveni 1.500 hektāru skar nopietnas sāļuma problēmas un augsts karbonātu līmenisīpaši sausās klimata zonās, kur apūdeņošana notiek ar sālsūdeni un pielietojums slikti pielāgotā veidā mēslošanas līdzekļiLlutas ieleja ir paradigmatisks gadījums: tur tomātu plantācijās ir izmērīta elektrovadītspēja līdz pat 11,5 dS/m, un šīs vērtības jebkurā rokasgrāmatā dārzkopības kultūrai tiktu uzskatītas par ekstremālām.
Sāls ietekme uz augiem sniedzas tālāk par sakņu vai lapu "dedzināšanu".Pārmērīgs nātrija un citu jonu daudzums izjauc ūdens līdzsvaru un rada osmotisko stresu, taču tie rada arī spēcīgu oksidatīvo stresu augu šūnās. Tādēļ augs reaģē, aktivizējot aizsardzības mehānismus, regulējot transpirāciju, mainot sakņu augšanu un reorganizējot jonu, piemēram, nātrija un kālija, rezerves.
Saskaroties ar šo situāciju, Tomātu meklēšana, kas var labi augt sāļās augsnēs, nav laboratorijas kaprīze.bet gan apņemšanās turpināt kultivēt zemes gabalus, kas pašlaik ir sasnieguši savu maksimālo jaudu vai ir tieši izslēgti no intensīvas ražošanas.
Pētījumi Spānijā: rezistences proteīni un transgēnie tomāti
Spānijā viena no vadošajām organizācijām šajā jomā ir Augu biotehnoloģijas un genomikas centrs (CBGP)kur liela pētnieku komanda pēta, kā aug augi, kā tie mijiedarbojas ar mikroorganismiem un kā tie pielāgojas klimata pārmaiņām un nelabvēlīgiem vides apstākļiem.
CBGP mērķis ir izstrādāt biotehnoloģiskus risinājumus, kas risina problēmas ar būtisku sociālo ietekmi.: samazināt klimata pārmaiņu ietekmi uz lauksaimniecību, radīt kultūraugus ar lielāku uzturvērtību, palielināt pārtikai un enerģijai pieejamo biomasu un, protams, iegūt augus, kas ir izturīgāki pret sausumu, sāļumu un karstuma viļņiem.
Viņu laboratorijas pēta, kā augi uztver un tiek galā ar temperatūras paaugstināšanās, ilgstoši sausuma periodi un augsnes ar augstu sāls koncentrācijuPēc tam tiek identificēti molekulārie mehānismi un aizsardzības proteīni, kas ļauj noteiktiem augiem labāk izturēt šos vides stresa faktorus. Pēc atklāšanas zinātnieki veic "koncepcijas pierādīšanas" eksperimentus, kuros viņi ģenerē transgēnus augus, kas uzkrāj šos proteīnus vai pastiprināti aktivizē šos mehānismus.
Līdz šim visspilgtākais rezultāts ir pret sāļumu izturīgu tomātu augu attīstība.Šie eksperimentālie augi, kuriem jau ir iesniegts Eiropas patents, ne tikai izdzīvo sāļā vidē, bet arī saglabā pieņemamu ražu un veģetatīvo attīstību tur, kur citi tomāti neizturētu.
CBGP pētnieki ir pārliecināti, ka To pašu tehnoloģiju var izmantot arī citām kultūrām, kas ir jutīgākas pret sāli nekā tomāti., piemēram, zirņi, pupas, kukurūza, zemenes vai krustziežu dzimtas augi (kāposti, brokoļi…). Pēdējie ir ikdienas uztura pamatelementi, un to ražas zudumam sāļuma dēļ būtu bijušas būtiskas sekas pārtikas nodrošinājumam, tāpēc ir radusies interese arī par to pielāgošanu.
Tomēr darbs ar aizsardzības olbaltumvielām no pārtikas nekaitīguma viedokļa nav tik vienkāršs.Daudzi no šiem proteīniem pieder pie saimēm, kurās ir arī alergēni proteīni. Tāpēc pašā CBGP ir specializēta alergēnu grupa, kas rūpīgi analizē īpašības, kas padara proteīnu alergēnu, un novērtē, vai jauni varianti rada risku patērētājiem.
Mērķis ir lai nodrošinātu, ka jebkurš biotehnoloģisks risinājums, lai cik daudzsološs tas būtu stresa izturības ziņāTam jāatbilst drošības standartiem un tas nedrīkst radīt jaunas pārtikas alerģijas. Šī daļa, kas ir mazāk uzkrītoša nekā "zvaigžņu" transgēno augu radīšana, ir absolūti svarīga, lai šie sasniegumi sasniegtu laukus un tirgu.
Augsto tehnoloģiju siltumnīcas un digitālā fenotipēšana
Lai izstrādātu šos projektus, CBGP ir ne tikai molekulārās bioloģijas un ģenētikas laboratorijas, bet arī modernākās iekārtas augu audzēšanai stingri kontrolētos apstākļosViņiem ir aptuveni 1.900 m2, kas pielāgoti kultūraugu izmēģinājumiem, tostarp 1.200 m2 liela siltumnīca, kas aprīkota ar īpašām klimata kontroles un apgaismojuma sistēmām.
Šajās siltumnīcās atrodas automatizēta digitālā fenotipēšanas infrastruktūraDivi pilnībā klimatkontrolēti P2 tipa moduļi (transgēnās ierobežošanas līmenis) var regulēt temperatūru diapazonā no 10 līdz 45 °C, simulējot visu, sākot no aukstām naktīm līdz intensīviem karstuma viļņiem. Šajos moduļos robotizēta sistēma automātiski reģistrē augu augšanu, ūdens patēriņu, hidratācijas stāvokli un stresa simptomu smagumu.
Pateicoties šiem augstas caurlaidības fenotipēšanas rīkiem, pētnieki var precīzi izmērīt katra auga reakciju. sāļuma, sausuma vai ārkārtēja karstuma dēļ. Nav tikai vizuāli jānovēro, vai tas vīst vai nē, bet gan jāiegūst nepārtraukti un salīdzināmi dati no desmitiem vai simtiem genotipu vienlaikus.
Vēl viens svarīgs šo iekārtu elements ir rizotroni, struktūras ar caurspīdīgām plāksnēm, kas ļauj novērot sakņu sistēmu bez nepieciešamības izrauti augu ar saknēm. Viņi pēta sakņu biezumu, dziļumu un sazarojumu, kā arī dažādu sāls vai bioloģisko produktu līmeņu ietekmi uz to attīstību.
Interesants aspekts ir tas Piekļuve šīm platformām nav paredzēta tikai CBGP komandām.Tie ir atvērti arī citu publisku un privātu organizāciju projektiem, kas ir ieinteresēti risināt nākotnes lauksaimniecības galvenos izaicinājumus. Tas veicina sadarbību un paātrina zināšanu nodošanu no akadēmiskajām aprindām uz ražošanas sektoru.
Graudaugi, kas "elpo" slāpekli: mazāk mēslojuma, lielāka ilgtspējība
Papildus sāļumam vēl viena atvērta fronte CBGP ir slāpekļa mēslojuma lietošanas samazināšana intensīvajā lauksaimniecībāLai gan šie mēslošanas līdzekļi ir bijuši galvenie, lai sasniegtu augstu graudaugu, piemēram, rīsu, kviešu vai kukurūzas, ražu, to ietekme uz vidi ir milzīga: gruntsūdeņu un upju piesārņojums, augsnes degradācija un siltumnīcefekta gāzu emisijas to ražošanas un lietošanas laikā.
Pētnieks Luiss Rubio vada Geitsa fonda finansētu projektu, kura mērķis ir iegūt graudaugus, kas spēj tieši izmantot slāpekli no gaisaTo līdz šim spēja paveikt tikai dažas baktērijas, pateicoties slāpekļa enzīmam nitrogenāzei. Augiem šis enzīms dabiski nesatur, tāpēc tie ir atkarīgi no augsnē pieejamajiem slāpekļa avotiem, no kuriem daudzi nāk no ķīmiskajiem mēslošanas līdzekļiem.
Šajā darbā tiek izmantotas slāpekli fiksējošas baktērijas kā Azotobacter vinelandii (bieži saistīts ar augsnes mikrobiotu un pazīstams biotehnoloģijas jomā) kā modelis slāpekļa fiksācijas gēnu pārnešanai uz graudaugiem. Galvenais mērķis ir panākt, lai šīs kultūras spētu kaut kādā veidā "elpot" atmosfēras slāpekli un metabolizēt to savai augšanai.
Ja šī pētījumu līnija būs veiksmīga, tā pavērtu durvis uz daudz ilgtspējīgāku lauksaimniecību.Tas ievērojami samazinātu ķīmisko mēslošanas līdzekļu izmantošanu un to radīto oglekļa pēdas nospiedumu. Turklāt tas palīdzētu atjaunot degradētas augsnes un līdz minimumam samazināt ūdens ekosistēmu piesārņojumu, īpaši reģionos, kur šie mēslošanas līdzekļi gadu desmitiem ir tikuši pārmērīgi izmantoti.
Tomēr pati komanda atzīst, ka Tas ir ārkārtīgi ambiciozs mērķis, kura sasniegšanai būs nepieciešams darbs gadu desmitiem.Pašapaugļojošu graudaugu, piemēram, rīsu, kviešu vai kukurūzas, izstrāde ir viens no mūsdienu biotehnoloģijas lielākajiem mērķiem, bet arī augsta līmeņa tehnoloģisks izaicinājums, kas prasa integrēt ģenētiku, augu fizioloģiju, mikrobu ekoloģiju un vides drošības apsvērumus.
Čīle: potcelmi, antioksidantu preparāti un rizobaktērijas
Čīlē vairākas pētniecības grupas risina sāļuma problēmu, izmantojot savstarpēji papildinošas pieejas. Viens no visprogresīvākajiem projektiem ir tas, ko veicina INIA La Cruz augu fizioloģijas un molekulārās bioloģijas pētniecības grupa, Valparaíso reģionā, kopā ar valsts un starptautiskām universitātēm.
No vienas puses, ir uzsākts FONDECYT projekts (1180958), kas koncentrējas uz sāļumam izturīgu tomātu potcelmu attīstībaTas tiek panākts, krustojot kultivētus tomātus (Solanum lycopersicum) ar savvaļas tomātu Solanum chilense — vietējo sugu, kas pielāgojusies sāļai videi. Ideja nav mainīt komerciālās augļu šķirnes, bet gan uzlabot "kurpi", tas ir, potcelmu, uz kura tiek potēta auga virszemes daļa.
Šie 100% Čīles potcelmi ļaus iegūt pieņemamu ražu un kvalitatīvus augļus augsnēs ar augstu sāļu koncentrāciju.saglabājot tirgū jau zināmo tomātu komerciālās īpašības. Pēc Dr. Huana Pablo Martinesa teiktā, iegūtie materiāli uzrāda interesantus tolerances mehānismus pret sālsūdens stresu, kas paver iespējas paplašināt audzēšanas platības.
Šis darbs tiek veikts sadarbībā ar grupām no Čīles Austrālās universitātes un Lēvenas Katoļu universitātes (Beļģija), ar mērķi veicināt zinātnisko apmaiņu un starptautisko sadarbībuPēc paša Martinesa teiktā, šis ir skaidrs piemērs tam, kā lietišķā agronomija var reaģēt uz teritorijas reālajām problēmām, neatsakoties no augsta līmeņa pētījumiem.
Paralēli Zinātnes un tehnoloģiju pētniecības gredzena projekta “PASSA” (ACT 192073) ietvaros INIA La Cruz, Čīles Universitātes un Arturo Prata Universitātes konsorcijs izstrādāt formulas, lai palielinātu tomātu toleranci pret ūdens trūkumu un sāļumuMērķis ir taupīt ūdeni un uzturēt dzīvotspējīgu ražošanu apgabalos, kurus skārusi šī abiotiskā stresa ietekme.
Viens no šiem preparātiem, ko vispārīgi sauc par “biomodulatoru”, apvieno dabiski savienojumi ar spēcīgu antioksidantu iedarbību, piemēram, lipoīnskābe un daži karotinoīdikopā ar citām ķīmiskām molekulām, kas jau bija uzrādījušas daudzsološus rezultātus iepriekšējos izmēģinājumos Čīles Universitātē. Lietojot kā lapotnes smidzinātāju, tā mērķis ir mazināt oksidatīvo stresu, ko augu šūnās izraisa sausums un sāļums.
Otra formula ir balstīta uz No Atacama tuksnesī augošiem augiem izolētas rizobaktērijasārkārtīgi sausa un sāļa vide. Arturo Prata universitātes pētījumi liecina, ka šīs baktērijas piešķir augiem, ar kuriem tās mijiedarbojas, izturību pret sāļumu, ļaujot tiem attīstīties apstākļos, kas lielākajai daļai kultivēto sugu būtu nāvējoši.
Turklāt INIA La Cruz sadarbojas ar augu augšanas stimulatori (PGPR), kas iegūti no viņu mikroorganismu bankasSiltumnīcu izmēģinājumos ir novērots, ka šo rizobaktēriju lietošana tomātu augiem, kas pakļauti sāļumam, ievērojami uzlabo to augšanu un sparu.
Tiek testēti vairāki konsorciji: viens no tiem ir izveidots, Pseudomonas celmi cēlušies no sālsūdens vides ziemeļos, ko atlasījusi profesora Rikardo Tehosas grupa Arturo Prata universitātē, un vēl viens ar dažādām ģints celmiem StaphylococcusTurklāt pastāv celms Bacillus amyloliquefaciens, ko INIA Quilamapu Mikrobu ģenētisko resursu banka ir identificējusi kā sāļumu tolerantu.
Uz bacilām balstīti augšanas stimulatori patiesībā ir visizplatītākie bioprodukti pasaulē. Tā kā tie ir droši cilvēkiem un efektīvi kontrolē plašu kaitēkļu un slimību klāstu atkarībā no izmantotās šķirnes, tiek lēsts, ka tie veido aptuveni 90 % no pasaules bioloģisko kontroles līdzekļu tirgus.
Čīlē lauka un siltumnīcu izmēģinājumi tiek veikti ar divu veidu tomātiem: nenoteikta komerciāla hibrīdšķirne un vietējā šķirne ar nosaukumu Poncho NegroTipiski Jutas ielejai un Azapas apgabalam Arikas un Parinakotas reģionā. Visos gadījumos kontroles augi tiek salīdzināti ar citiem augiem, kas pakļauti lielākam sāls daudzumam, lai radītu izteiktu stresu, un tiek analizēta dažādu preparātu ietekme.
Kā norāda Dr. Martiness, Rizobaktēriju un uz mikroorganismiem balstītu bioproduktu lietošana var daļēji samazināt ķīmisko produktu lietošanu. Lauksaimniecībā notiek virzība uz tīrāku un ilgtspējīgāku ražošanu. Šie bioprodukti ir balstīti uz atjaunojamiem bioloģiskajiem resursiem un parasti tiem ir ļoti maza ietekme uz vidi, lai gan joprojām ir nepieciešama daudz vairāk informācijas par izstrādi un formulēšanu, lai optimizētu to izmantošanu.
Šis darba virziens ir īpaši vērtīgs, jo Risinājumi ir izstrādāti, ņemot vērā Čīles lauksaimnieku realitāti.Tiek pārbaudītas produktu devas, lietošanas laiki un kombinācijas, kuras pēc tam var tieši pārnest uz ikdienas praksi, neprasot ražotājam veikt krasas izmaiņas savā darba metodē.
Savvaļas tomātu ģenētiskais dārgums
Papildus progresīvai biotehnoloģijai vai mikrobiāliem bioproduktiem viens no sāļuma problēmas risinājumiem ir kultivēto tomātu savvaļas radiniekiBoisa Tompsona institūta pētnieki ir detalizēti pētījuši Solanum pimpinellifolium, mājas tomātu tuvāko savvaļas radinieku, kam raksturīgi mazi ķiršiem līdzīgi augļi, bet milzīga ģenētiskā daudzveidība un liela izturība pret stresu.
Šis darbs tika prezentēts dažādas S. pimpinellifolium līnijas dažādos sālsūdens stresa līmeņosGan siltumnīcās, gan laukā tika izmantotas augstas caurlaidības fenotipēšanas metodes, kas ir ļoti līdzīgas CBGP aprakstītajām. Analīze atklāja milzīgas atšķirības tajā, kā šie augi tika galā ar sāļumu, sākot no indivīdiem, kas praktiski neizrādīja stresu, līdz citiem, kas cieta ievērojamus ražas zudumus.
Viens no pārsteidzošākajiem rezultātiem bija tas, ka Auga kopējais spēks (tā spēja ātri un spēcīgi augt) bija izšķirošs faktors tā sāls tolerancei.Visspēcīgākie augi labāk izturēja stresu, kas liecina, ka enerģijas izvēle varētu netieši uzlabot sāļuma toleranci selekcijas programmās.
Tika arī konstatētas tādas īpašības kā transpirācijas ātrums, gaisa dzinumu masa un jonu (īpaši nātrija un kālija) uzkrāšanās audos Tie korelēja ar sniegumu sālsūdens stresa apstākļos. Interesanti, ka, lai gan transpirācija bija galvenais siltumnīcas snieguma izskaidrotājs, lauka apstākļos faktors, kas visciešāk saistīts ar ražu, bija auga virszemes masa.
Varbūt vispārsteidzošākais bija atklājums, ka Kopējais lapās uzkrātais sāls daudzums nebija tik svarīgs ražas iegūšanai, kā tika pieņemts.Šis atklājums apstrīd dažas klasiskas idejas par sāls toleranci, kas gandrīz tikai koncentrējās uz nātrija iekļūšanas vai uzkrāšanās ierobežošanu gaisa audos, un paver jaunas darba līnijas, kas koncentrējas uz citiem adaptācijas mehānismiem.
Pētījums, kas publicēts Augu žurnāls, atļauts identificēt kandidātu gēni, kas iepriekš nebija saistīti ar sāls stresa toleranciŠos specifiskos genotipus var izmantot kā alēļu donorus selekcijas programmās, lai ieviestu sāls toleranci kultivētos tomātos un citās radniecīgās kultūrās.
Kopumā šis pētījums Tas pastiprina domu, ka kultivēto augu savvaļas radinieki ir īsta risinājumu krātuve. Ņemot vērā klimata pārmaiņas un jaunus vides apstākļus, šie materiāli apvienojumā ar klasiskām ģenētiskās uzlabošanas metodēm un moderniem genomikas un fenotipēšanas rīkiem var paātrināt izturīgāku lauksaimniecības šķirņu izveidi.
La visu šo darba virzienu konverģence —transgēni sāls toleranti tomāti, vietējie potcelmi, uz rizobaktēriju bāzes ražoti bioprodukti, graudaugi, kas izmanto atmosfēras slāpekli, un intensīva savvaļas tomātu daudzveidības izmantošana — norāda uz daudz noturīgāks lauksaimniecības modelis ņemot vērā klimata pārmaiņas un augsnes degradāciju. Lai gan vēl paies gadi, līdz mēs redzēsim dažas no šīm inovācijām masveidā lielveikalos vai saimniecībās, ceļš ir skaidri iezīmēts: integrēt biotehnoloģiju, mikrobu ekoloģiju un ģenētisko uzlabošanu, lai turpinātu novākt sulīgus tomātus tur, kur sāls un sausums, šķiet, bija uzvarējuši.
