Poľnohospodárstvo čelí jednej z najväčších výziev vo svojej históriiVyprodukovať dostatok potravín pre populáciu, ktorá o niekoľko desaťročí dosiahne takmer 9.700 miliardy ľudí na teplejšej a suchšej planéte so čoraz extrémnejšími poveternostnými javmi. V tejto súvislosti Paradajky odolné voči soli Prestávajú byť vedeckou kuriozitou a stávajú sa skutočnou nevyhnutnosťou v mnohých poľnohospodárskych oblastiach sveta.
Súčasne rastlinná biotechnológia, klasické genetické šľachtenie a využitie prospešných mikroorganizmov Vyvíjajú celý rad riešení, aby zabezpečili, že dôležité plodiny, ako sú paradajky, obilniny a kapustovité rastliny, zostanú ziskové v pôdach s vysokou úrovňou slanosti a nízkym vodným stresom. Laboratóriá v Španielsku, Čile a medzinárodných centrách už pracujú s divými paradajkami, podpníkmi, rhizobaktériami a obrannými proteínmi, aby „ochránili“ rastliny pred týmto abiotickým stresom.
Prečo sa slanosť stala naliehavým problémom
Zvyšovanie globálnej teploty, zintenzívnenie sucha a pokračujúce využívanie závlahovej vody s vysokým obsahom soli. Spôsobujú prudký nárast slanosti mnohých poľnohospodárskych pôd. Tento jav bol obzvlášť jasne zdokumentovaný v suchých a polosuchých oblastiach, ako je stredné a severné Čile, ale postihuje aj stredomorské oblasti Španielska a ďalšie časti sveta, kde je voda čoraz vzácnejšia a má horšiu kvalitu.
Slanosť pôdy je jedným z najškodlivejších abiotických stresorov pre poľnohospodársku produktivitu.V plodinách, ako sú paradajky, sa pri zvýšení koncentrácie soli narušia kľúčové procesy: klíčenie semien, vitalita sadeníc, vegetatívny rast, kvitnutie a tvorba plodov. To všetko vedie k nižším výnosom na hektár a zníženiu komerčnej kvality paradajok.
Napríklad v Čile sa odhaduje, že ich je približne 1 500 hektárov postihnutých vážnymi problémami so slanosťou a vysokými hladinami uhličitanovnajmä v suchých klimatických zónach, kde sa zavlažovanie vykonáva slanou vodou a aplikáciami hnojivá nesprávne upraveným spôsobomÚdolie Lluta je paradigmatickým prípadom: v paradajkových plantážach tam namerali elektrickú vodivosť až 11,5 dS/m, čo sú hodnoty, ktoré by akákoľvek príručka považovala za extrémne pre záhradnícku plodinu.
Účinok soli na rastliny presahuje rámec „spálenia“ koreňov alebo listovNadbytok sodíka a iných iónov narúša vodnú rovnováhu a spôsobuje osmotický stres, ale zároveň vytvára silný oxidačný stres v rastlinných bunkách. Rastlina preto reaguje aktiváciou obranných mechanizmov, úpravou transpirácie, modifikáciou rastu koreňov a reorganizáciou svojich zásob iónov, ako je sodík a draslík.
Tvárou v tvár tejto situácii, Hľadanie paradajok, ktoré sa dobre darí v slaných pôdach, nie je laboratórnym rozmarom.ale skôr záväzok pokračovať v obrábaní pôdy, ktorá je v súčasnosti na hranici svojich možností alebo je priamo vylúčená pre intenzívnu produkciu.
Výskum v Španielsku: proteíny rezistencie a transgénne paradajky
V Španielsku je jednou z popredných organizácií v tejto oblasti Centrum pre rastlinnú biotechnológiu a genomiku (CBGP)kde veľký tím výskumníkov skúma, ako rastliny rastú, ako interagujú s mikroorganizmami a ako sa prispôsobujú zmene klímy a nepriaznivým podmienkam prostredia.
Cieľom CBGP je vyvinúť biotechnologické riešenia, ktoré riešia problémy s významným sociálnym dopadom.zmierniť vplyvy zmeny klímy na poľnohospodárstvo, pestovať plodiny s vyššou nutričnou hodnotou, zvýšiť biomasu dostupnú pre potraviny a energiu a samozrejme získať rastliny, ktoré sú odolnejšie voči suchu, slanosti a vlnám horúčav.
Ich laboratóriá skúmajú, ako rastliny vnímajú a zvládajú zvyšovanie teploty, dlhé obdobia sucha a pôdy s vysokou koncentráciou solíNa základe toho sa identifikujú molekulárne mechanizmy a obranné proteíny, ktoré umožňujú určitým rastlinám lepšie odolávať týmto environmentálnym stresom. Po ich zistení vedci vytvárajú experimenty na overenie konceptu, v ktorých vytvárajú transgénne rastliny, ktoré tieto proteíny akumulujú alebo aktivujú tieto mechanizmy posilneným spôsobom.
Najvýraznejším výsledkom je zatiaľ vývoj rastlín rajčiaka odolných voči slanosti.Tieto experimentálne rastliny, na ktoré už bola podaná žiadosť o európsky patent, nielenže prežívajú v slanom prostredí, ale si tiež udržiavajú prijateľnú úrodu a vegetatívny vývoj tam, kde by iné paradajky zlyhali.
Výskumníci CBGP sú presvedčení, že Rovnakú technológiu je možné použiť aj na iné plodiny, ktoré sú citlivejšie na soľ ako paradajky., ako napríklad hrach, fazuľa, kukurica, jahody alebo kapustovité rastliny (kapusta, brokolica…). Tie sú základnou súčasťou každodennej stravy a strata ich výnosu v dôsledku slanosti by mala dôležité dôsledky pre potravinovú bezpečnosť, a preto je záujem aj o ich adaptáciu.
Práca s obrannými proteínmi však nie je z hľadiska bezpečnosti potravín taká jednoduchá.Mnohé z týchto proteínov patria do čeľadí, ktoré obsahujú aj alergénne proteíny. Preto v rámci samotného CBGP existuje špecializovaná skupina pre alergény, ktorá dôkladne analyzuje vlastnosti, vďaka ktorým je proteín alergénny, a posudzuje, či nové varianty predstavujú riziko pre spotrebiteľov.
Cieľom je zabezpečiť, aby akékoľvek biotechnologické riešenie, nech je akokoľvek sľubné z hľadiska odolnosti voči stresuMusí spĺňať bezpečnostné normy a nesmie vyvolávať nové potravinové alergie. Táto časť, menej okázalá ako vytvorenie „hviezdnych“ transgénnych rastlín, je absolútne kľúčová pre to, aby sa tento pokrok dostal do praxe a na trh.
High-tech skleníky a digitálne fenotypovanie
Na rozvoj týchto projektov má CBGP nielen laboratóriá molekulárnej biológie a genetiky, ale aj najmodernejšie zariadenia na pestovanie rastlín za prísne kontrolovaných podmienokNa pestovanie plodín majú upravených približne 1 900 m2 vrátane skleníka s rozlohou 1 200 m2 vybaveného špecifickými systémami klimatizácie a osvetlenia.
Vo vnútri týchto skleníkov, a automatizovaná infraštruktúra digitálneho fenotypovaniaDva plne klimatizované moduly typu P2 (úroveň transgénnej ochrany) dokážu regulovať teplotu v rozsahu 10 až 45 °C, simulujúc tak všetko od chladných nocí až po intenzívne vlny horúčav. V týchto moduloch robotický systém automaticky zaznamenáva rast rastlín, spotrebu vody, stav hydratácie a závažnosť stresových príznakov.
Vďaka týmto vysokovýkonným nástrojom na fenotypizáciu môžu výskumníci presne merať, ako každá rastlina reaguje. na slanosť, sucho alebo extrémne teplo. Nejde len o vizuálne pozorovanie, či vädne alebo nie, ale o to, aby sme mali k dispozícii kontinuálne a porovnateľné údaje z desiatok alebo stoviek genotypov súčasne.
Ďalším kľúčovým prvkom týchto zariadení sú rizotróny, štruktúry s priehľadnými platňami, ktoré umožňujú pozorovanie koreňového systému bez nutnosti vytrhávania rastliny. Študujú hrúbku, hĺbku a rozvetvenie koreňov, ako aj vplyv rôznych úrovní soli alebo biologických produktov na ich vývoj.
Zaujímavým aspektom je to Prístup k týmto platformám nie je obmedzený len na tímy CBGPSú tiež otvorené projektom od iných verejných a súkromných organizácií, ktoré majú záujem riešiť hlavné výzvy poľnohospodárstva budúcnosti. To podporuje spoluprácu a urýchľuje prenos vedomostí z akademickej obce do výrobného sektora.
Obilniny, ktoré „dýchajú“ dusík: menej hnojív, väčšia udržateľnosť
Okrem slanosti je ďalším otvoreným frontom v CBGP zníženie používania dusíkatých hnojív v intenzívnom poľnohospodárstveHoci tieto hnojivá zohrali kľúčovú úlohu v dosahovaní vysokých výnosov obilnín, ako je ryža, pšenica alebo kukurica, ich vplyv na životné prostredie je obrovský: kontaminácia podzemných vôd a riek, degradácia pôdy a emisie skleníkových plynov počas ich výroby a používania.
Výskumník Luis Rubio vedie projekt financovaný Nadáciou Gatesovcov, ktorého cieľom je získať obilniny schopné priamo využívať dusík zo vzduchuToto doteraz dokázali len niektoré baktérie vďaka enzýmu nitrogenáza. Rastliny tento enzým prirodzene nemajú, takže sú závislé od zdrojov dusíka dostupných v pôde, z ktorých mnohé pochádzajú z chemických hnojív.
Táto práca využíva baktérie fixujúce dusík ako Azotobacter vinelandii (často spájaný s pôdnou mikrobiotou a známy v oblasti biotechnológie) ako model pre prenos génov zodpovedných za fixáciu dusíka do obilnín. Konečným cieľom je, aby tieto plodiny boli schopné určitým spôsobom „dýchať“ atmosférický dusík a metabolizovať ho pre svoj rast.
Ak bude táto výskumná línia úspešná, otvorilo by to dvere k oveľa udržateľnejšiemu poľnohospodárstvu.To by drasticky znížilo používanie chemických hnojív a ich uhlíkovú stopu. Okrem toho by to pomohlo obnoviť degradované pôdy a minimalizovať znečistenie vodných ekosystémov, najmä v regiónoch, kde sa tieto vstupy nadmerne využívajú už desaťročia.
Samotný tím však uznáva, že Je to mimoriadne ambiciózny cieľ, ktorý si bude vyžadovať desaťročia práce.Vývoj samooplodňujúcich obilnín, ako je ryža, pšenica alebo kukurica, je jedným z veľkých cieľov modernej biotechnológie, ale aj technologickou výzvou najvyššej úrovne, ktorá si vyžaduje integráciu genetiky, fyziológie rastlín, mikrobiálnej ekológie a environmentálnej bezpečnosti.
Čile: podpníky, antioxidačné formulácie a rhizobaktérie
V Čile sa niekoľko výskumných skupín zaoberá problémom slanosti z komplementárnych prístupov. Jedným z najpokročilejších projektov je ten, ktorý propaguje Výskumná skupina pre fyziológiu rastlín a molekulárnu biológiu INIA La Cruz, v regióne Valparaíso, spolu s národnými a medzinárodnými univerzitami.
Na jednej strane bol spustený projekt FONDECYT (1180958) zameraný na vývoj podpníkov rajčiakov tolerantných voči slanostiToto sa dosahuje krížením pestovaných paradajok (Solanum lycopersicum) a divých paradajok Solanum chilense, miestneho druhu prispôsobeného slanému prostrediu. Cieľom nie je zmeniť komerčné odrody ovocia, ale skôr vylepšiť „topánku“, teda podpník, na ktorý sa vrúbľuje nadzemná časť rastliny.
Tieto 100 % čilské podpníky umožnia prijateľné výnosy a kvalitné ovocie v pôdach s vysokou koncentráciou solí.zachovanie obchodných vlastností paradajok, ktoré sú už na trhu známe. Podľa Dr. Juana Pabla Martíneza výsledné materiály vykazujú zaujímavé mechanizmy tolerancie voči stresu zo soli, čo otvára dvere k rozširovaniu pestovateľských oblastí.
Táto práca sa vykonáva v spolupráci so skupinami z Austrálskej univerzity v Čile a Katolíckej univerzity v Louvaine (Belgicko) s cieľom podporovať vedeckú výmenu a medzinárodnú spoluprácuPodľa samotného Martíneza je to jasný príklad toho, ako môže aplikovaná agronómia reagovať na skutočné problémy územia bez toho, aby sa vzdala výskumu na vysokej úrovni.
Súbežne v rámci projektu Research Ring in Science and Technology „PASSA“ (ACT 192073) pracuje konzorcium INIA La Cruz, Čilskej univerzity a Univerzity Artura Prata. vývoj receptúr na zvýšenie tolerancie paradajok voči nedostatku vody a slanostiCieľom je šetriť vodu a udržiavať životaschopnú produkciu v oblastiach postihnutých týmito abiotickými stresmi.
Jedna z týchto formulácií, všeobecne nazývaná „biomodulátor“, kombinuje prírodné zlúčeniny so silnou antioxidačnou kapacitou, ako je kyselina lipoová a niektoré karotenoidyspolu s ďalšími chemickými molekulami, ktoré už v predchádzajúcich pokusoch na Čilskej univerzite preukázali sľubné výsledky. Pri aplikácii ako listový postrek sa zameriava na zmiernenie oxidačného stresu spôsobeného suchom a slanosťou v rastlinných bunkách.
Druhá formulácia je založená na Rhizobaktérie izolované z rastlín rastúcich v púšti Atacamaextrémne suché a slané prostredie. Štúdie z Univerzity Artura Prata ukázali, že tieto baktérie prepožičiavajú rastlinám, s ktorými sa spájajú, odolnosť voči slanosti, čo im umožňuje prosperovať v podmienkach, ktoré by boli pre väčšinu pestovaných druhov smrteľné.
Okrem toho INIA La Cruz spolupracuje s stimulátory rastu rastlín (PGPR) získané z ich Banky mikroorganizmovV skleníkových pokusoch sa pozorovalo, že aplikácia týchto rhizobaktérií na rastliny paradajok vystavené zasoleniu výrazne zlepšuje ich rast a vitalitu.
Testuje sa niekoľko konzorcií: jedno tvorené kmene Pseudomonas pochádzajúci zo slaných prostredí na severe, vybraný skupinou profesora Ricarda Tejosa na Univerzite Artura Prata, a ďalší s rôznymi kmeňmi rodu StaphylococcusOkrem toho existuje kmeň Bacillus amyloliquefaciens, ktorú Banka mikrobiálnych genetických zdrojov INIA Quilamapu identifikovala ako tolerantnú voči slanosti.
Rastové stimulátory na báze Bacillus sú v skutočnosti najrozšírenejšími bioproduktmi na svete. Vzhľadom na ich bezpečnosť pre ľudí a účinnosť pri kontrole širokej škály škodcov a chorôb sa odhaduje, že v závislosti od použitého kmeňa predstavujú približne 90 % svetového trhu s biologickými kontrolnými prostriedkami.
V Čile sa vykonávajú poľné a skleníkové pokusy s dvoma druhmi paradajok: neurčitá komerčná hybridná odroda a miestna odroda s názvom Poncho NegroTypické pre údolie Yuta a oblasť Azapa v regióne Arica a Parinacota. Vo všetkých prípadoch sa kontrolné rastliny porovnávajú s inými rastlinami vystavenými väčšiemu množstvu soli, aby sa vytvoril výrazný stres, a analyzuje sa účinok rôznych formulácií.
Ako zdôrazňuje Dr. Martínez, Používanie rhizobaktérií a bioproduktov na báze mikroorganizmov môže čiastočne znížiť používanie chemických produktov. V poľnohospodárstve sa smeruje k čistejšej a udržateľnejšej produkcii. Tieto bioprodukty sú založené na obnoviteľných biologických zdrojoch a vo všeobecnosti majú veľmi nízky vplyv na životné prostredie, hoci na optimalizáciu ich využitia je stále potrebných oveľa viac informácií o vývoji a formulácii.
Táto oblasť práce je obzvlášť cenná, pretože Riešenia sú navrhnuté s ohľadom na realitu čilského farmára.Dávky, časy aplikácie a kombinácie produktov sa testujú a následne sa dajú priamo preniesť do každodennej praxe bez toho, aby výrobca musel robiť drastické zmeny vo svojom spôsobe práce.
Genetický poklad divých paradajok
Okrem pokročilej biotechnológie alebo mikrobiálnych bioproduktov spočíva jeden zo zdrojov riešení slanosti v divocí príbuzní pestovaných paradajokVýskumníci z Boyce Thompson Institute podrobne študovali Solanum pimpinellifolium, najbližšieho divého príbuzného domácej paradajky, ktorý sa vyznačuje malými plodmi podobnými čerešniam, ale obrovskou genetickou rozmanitosťou a veľkou odolnosťou voči stresu.
Táto práca prezentovaná rôzne línie S. pimpinellifolium pri rôznych úrovniach soľného stresuV skleníkoch aj na poli sa použili vysokovýkonné fenotypizačné techniky veľmi podobné tým, ktoré sú opísané v CBGP. Analýza odhalila obrovské rozdiely v tom, ako sa tieto rastliny vyrovnali so slanosťou, od jedincov, ktoré nevykazovali prakticky žiadny stres, až po iné, ktoré utrpeli značné straty úrody.
Jedným z najpozoruhodnejších výsledkov bolo, že Celková vitalita rastliny (jej schopnosť rýchlo a silno rásť) bola rozhodujúcim faktorom jej tolerancie voči soli.Najvitálnejšie rastliny lepšie odolávali stresu, čo naznačuje, že výber na základe vitality by mohol nepriamo zlepšiť toleranciu slanosti v šľachtiteľských programoch.
Zistilo sa tiež, že vlastnosti ako napríklad rýchlosť transpirácie, hmotnosť nadzemných výhonkov a akumulácia iónov (najmä sodíka a draslíka) v tkanivách Korelovali s výkonnosťou v podmienkach stresu zo zasolenia. Je zaujímavé, že zatiaľ čo transpirácia bola kľúčom k vysvetleniu výkonnosti v skleníkoch, v poľných podmienkach bola faktorom, ktorý najviac súvisel s výnosom, nadzemná hmotnosť rastliny.
Asi najprekvapujúcejšie bolo zistiť, že Celkové množstvo soli nahromadené v listoch nebolo pre výnos také dôležité, ako sa predpokladalo.Toto zistenie spochybňuje niektoré klasické predstavy o tolerancii soli, ktoré sa zameriavali takmer výlučne na obmedzenie vstupu alebo akumulácie sodíka v tkanivách vzduchu, a otvára nové smery výskumu zameraného na iné adaptačné mechanizmy.
Štúdia publikovaná v The Plant Journal, povolené identifikovať kandidátske gény, ktoré predtým neboli spojené s toleranciou voči solnému stresuTieto špecifické genotypy sa môžu použiť ako darcovia alel v šľachtiteľských programoch na zavedenie tolerancie voči soli u pestovaných paradajok a iných príbuzných plodín.
Celkovo tento výskum Posilňuje to myšlienku, že divo rastúci príbuzní pestovaných rastlín sú skutočnou bankou riešení. Vzhľadom na zmenu klímy a nové environmentálne podmienky môžu tieto materiály v kombinácii s klasickými technikami genetického zlepšovania a modernými nástrojmi genomiky a fenotypizácie urýchliť vytváranie odolnejších poľnohospodárskych odrôd.
La konvergencia všetkých týchto pracovných oblastí —transgénne paradajky tolerantné voči soli, lokálne podpníky, bioprodukty na báze rhizobaktérií, obilniny, ktoré využívajú atmosférický dusík, a intenzívne využívanie diverzity divých paradajok — poukazuje na… oveľa odolnejší poľnohospodársky model zoči-voči klimatickým zmenám a degradácii pôdy. Hoci ešte potrvá roky, kým niektoré z týchto inovácií uvidíme vo veľkom meradle v supermarketoch alebo na farmách, cesta je jasne vytýčená: integrácia biotechnológie, mikrobiálnej ekológie a genetického vylepšenia s cieľom pokračovať v zbere šťavnatých paradajok tam, kde sa zdalo, že zvíťazili soľ a sucho.
