Landbruket står overfor en av de største utfordringene i historienÅ produsere nok mat til en befolkning som vil nå nesten 9.700 milliarder mennesker om bare noen få tiår, på en varmere og tørrere planet med stadig mer ekstreme værhendelser. I denne sammenhengen, Saltbestandige tomater De slutter å være en vitenskapelig kuriositet og blir en svært reell nødvendighet i mange landbruksområder i verden.
Samtidig plantebioteknologi, klassisk genetisk forbedring og bruk av gunstige mikroorganismer De utvikler en rekke løsninger for å sikre at viktige avlinger som tomater, korn og kål forblir lønnsomme i jord med høyt saltinnhold og lav vannstress. Laboratorier i Spania, Chile og internasjonale sentre jobber allerede med ville tomater, rotstokker, rhizobakterier og forsvarsproteiner for å "beskytte" planter mot disse abiotiske stressfaktorene.
Hvorfor saltinnhold har blitt et presserende problem
Økningen i global temperatur, intensiveringen av tørkeperioder og den fortsatte bruken av vanningsvann med høyt saltinnhold. De forårsaker en økning i saltinnholdet i mange jordbruksjordarter. Dette fenomenet har blitt spesielt tydelig dokumentert i tørre og halvtørre regioner, som det sentrale og nordlige Chile, men det påvirker også middelhavsområdene i Spania og andre deler av verden hvor vann er stadig mer knappt og av dårligere kvalitet.
Jordsaltinnhold er en av de mest skadelige abiotiske stressfaktorene for landbruksproduktivitet.I avlinger som tomater, når saltkonsentrasjonen øker, forstyrres viktige prosesser: frøspiring, frøplantevekst, vegetativ vekst, blomstring og fruktdannelse. Alt dette resulterer i lavere avlinger per hektar og en reduksjon i tomatenes kommersielle kvalitet.
I Chile, for eksempel, anslås det at det finnes rundt 1.500 hektar rammet av alvorlige saltproblemer og høye nivåer av karbonaterspesielt i tørre klimasoner der vanning gjøres med saltvann og påføringer gjødsel på en dårlig justert måteLluta-dalen er et paradigmatisk tilfelle: der er det målt elektriske konduktiviteter på opptil 11,5 dS/m i tomatplantasjer, verdier som enhver manual ville anse som ekstreme for en hagebruksavling.
Effekten av salt på planter går utover å "brenne" røtter eller bladerOverskudd av natrium og andre ioner forstyrrer vannbalansen og forårsaker osmotisk stress, men de genererer også sterkt oksidativt stress i planteceller. Derfor reagerer planten ved å aktivere forsvarsmekanismer, justere transpirasjon, modifisere rotvekst og omorganisere sine reserver av ioner som natrium og kalium.
Stilt overfor denne situasjonen, Jakten på tomater som kan trives i saltholdig jord er ikke et laboratorieinnfall.men snarere en forpliktelse til å fortsette å dyrke på landområder som for tiden er på grensen eller direkte utelukket for intensiv produksjon.
Forskning i Spania: resistensproteiner og transgene tomater
I Spania er en av de ledende organisasjonene på dette feltet Senter for plantebioteknologi og genomikk (CBGP)der et stort team av forskere studerer hvordan planter vokser, hvordan de samhandler med mikroorganismer og hvordan de tilpasser seg klimaendringer og ugunstige miljøforhold.
Målet med CBGP er å utvikle bioteknologiske løsninger som adresserer problemer med betydelig samfunnsmessig innvirkning.redusere effektene av klimaendringer på landbruket, generere avlinger med større næringsverdi, øke biomassen som er tilgjengelig for mat og energi, og selvfølgelig skaffe planter som er mer tolerante mot tørke, saltinnhold og hetebølger.
Laboratoriene deres undersøker hvordan planter oppfatter og takler det temperaturøkninger, lange perioder med tørke og jord med høye saltkonsentrasjonerDerfra identifiseres de molekylære mekanismene og forsvarsproteinene som gjør at visse planter bedre tåler disse miljøpåkjenningene. Når de er oppdaget, lager forskere "proof-of-concept"-eksperimenter der de genererer transgene planter som akkumulerer disse proteinene eller aktiverer disse mekanismene på en forsterket måte.
Det mest slående resultatet så langt er utviklingen av tomatplanter som er resistente mot saltinnhold.Disse forsøksplantene, som det allerede er søkt om europeisk patent for, overlever ikke bare i et saltholdig miljø, men opprettholder også akseptabel avling og vegetativ utvikling der andre tomater ville mislykkes.
CBGP-forskerne er overbevist om at Den samme teknologien kan brukes på andre avlinger som er mer følsomme for salt enn tomater., som erter, bønner, mais, jordbær eller kål (kål, brokkoli…). Sistnevnte er grunnleggende i det daglige kostholdet, og tapet av avling på grunn av saltinnhold ville ha hatt viktige konsekvenser for matsikkerheten, derav interessen for å tilpasse dem også.
Det er imidlertid ikke så enkelt å jobbe med forsvarsproteiner fra et mattrygghetssynspunkt.Mange av disse proteinene tilhører familier som også inneholder allergifremkallende proteiner. Derfor finnes det innenfor selve CBGP en spesialisert allergengruppe som omhyggelig analyserer egenskapene som gjør et protein allergifremkallende og vurderer om nye varianter utgjør en risiko for forbrukerne.
Målet er for å sikre at enhver bioteknologisk løsning, uansett hvor lovende den måtte være med tanke på stressmotstandDen må oppfylle sikkerhetsstandarder og ikke generere nye matallergier. Denne delen, som er mindre prangende enn å lage transgene planter med «stjernestatus», er helt avgjørende for at disse fremskrittene skal nå ut til feltet og markedet.
Høyteknologiske drivhus og digital fenotyping
For å utvikle disse prosjektene har CBGP ikke bare molekylærbiologiske og genetiske laboratorier, men også toppmoderne anlegg for dyrking av planter under strengt kontrollerte forholdDe har rundt 1.900 m2 tilrettelagt for forsøksdyrking, inkludert et drivhus på 1.200 m2 utstyrt med spesifikke klimakontroll- og belysningssystemer.
Inne i disse drivhusene, en automatisert digital fenotypingsinfrastrukturTo fullt klimakontrollerte moduler av P2-typen (transgenisk inneslutningsnivå) kan regulere temperaturen innenfor et område fra 10 til 45 °C, og simulere alt fra kalde netter til intense hetebølger. Inne i disse modulene registrerer et robotsystem automatisk plantevekst, vannforbruk, hydreringsstatus og alvorlighetsgraden av stresssymptomer.
Takket være disse fenotypingsverktøyene med høy gjennomstrømning kan forskere nøyaktig måle hvordan hver plante reagerer. på grunn av saltinnhold, tørke eller ekstrem varme. Det handler ikke bare om å observere visuelt om den visner eller ikke, men om å ha kontinuerlige og sammenlignbare data fra dusinvis eller hundrevis av genotyper samtidig.
Et annet sentralt element ved disse fasilitetene er rhizotroner, strukturer med gjennomsiktige plater som tillater observasjon av rotsystemet uten å måtte rykke opp planten med roten. De studerer røttenes tykkelse, dybde og forgrening, samt effekten av ulike nivåer av salt eller biologiske produkter på utviklingen deres.
Et interessant aspekt er det Tilgang til disse plattformene er ikke begrenset utelukkende til CBGP-lagDe er også åpne for prosjekter fra andre offentlige og private organisasjoner som er interessert i å ta tak i de store utfordringene i fremtidens landbruk. Dette fremmer samarbeid og akselererer kunnskapsoverføringen fra akademia til den produktive sektoren.
Korn som «puster» nitrogen: mindre gjødsel, mer bærekraft
Foruten saltinnhold er en annen åpen front i CBGP reduksjon av nitrogengjødselbruk i intensivt landbrukSelv om disse gjødseltypene har vært nøkkelen til å oppnå høye avlinger i korn som ris, hvete eller mais, er miljøpåvirkningen enorm: forurensning av grunnvann og elver, jordforringelse og klimagassutslipp under produksjon og bruk.
Forsker Luis Rubio leder et prosjekt, finansiert av Gates Foundation, som har som mål å å skaffe korn som er i stand til å utnytte nitrogen direkte fra luftenDette er noe som frem til nå bare noen få bakterier har vært i stand til å gjøre takket være nitrogenase-enzymet. Planter har ikke dette enzymet naturlig, så de er avhengige av nitrogenkilder som er tilgjengelige i jorden, hvorav mange kommer fra kunstgjødsel.
Dette arbeidet bruker nitrogenfikserende bakterier som Azotobacter vinelandii (ofte assosiert med jordmikrobiota og kjent innen bioteknologi) som en modell for å overføre genene som er ansvarlige for nitrogenfiksering til korn. Det endelige målet er at disse avlingene på en måte skal kunne «puste» atmosfærisk nitrogen og metabolisere det for veksten sin.
Hvis denne forskningslinjen lykkes, vil det åpne døren for et mye mer bærekraftig landbruk.Dette ville drastisk redusere bruken av kunstgjødsel og deres karbonavtrykk. Videre ville det bidra til å gjenopprette forringet jord og minimere forurensning av akvatiske økosystemer, spesielt i regioner der disse tilførselsmidlene har blitt overbrukt i flere tiår.
Teamet selv erkjenner imidlertid at Dette er et ekstremt ambisiøst mål som vil kreve flere tiår med arbeid.Å utvikle selvgjødslende kornsorter som ris, hvete eller mais er en av de store ambisjonene innen moderne bioteknologi, men også en teknologisk utfordring på toppnivå som krever integrering av genetikk, plantefysiologi, mikrobiell økologi og miljøsikkerhetshensyn.
Chile: rotstokker, antioksidantformuleringer og rhizobakterier
I Chile jobber flere forskningsgrupper med saltproblemet gjennom komplementære tilnærminger. Et av de mest avanserte prosjektene er det som promoteres av Forskningsgruppen i plantefysiologi og molekylærbiologi ved INIA La Cruz, i ValparaÃso-regionen, sammen med nasjonale og internasjonale universiteter.
På den ene siden er det lansert et FONDECYT-prosjekt (1180958) med fokus på utviklingen av salttolerante tomatstammerDette oppnås gjennom en krysning mellom dyrkede tomater (Solanum lycopersicum) og den ville tomaten Solanum chilense, en lokal art tilpasset saltholdige miljøer. Tanken er ikke å endre de kommersielle fruktsortene, men snarere å forbedre «skoen», det vil si rotstokken som den overjordiske delen av planten podes på.
Disse 100 % chilenske grunnstammene vil gi akseptable avlinger og kvalitetsfrukt i jord med høy konsentrasjon av salter.bevare de kommersielle egenskapene til tomatene som allerede er kjent for markedet. Ifølge Dr. Juan Pablo MartÃnez viser de resulterende materialene interessante toleransemekanismer for saltstress, noe som Ã¥pner døren for utvidede dyrkingsomrÃ¥der.
Dette arbeidet utføres i samarbeid med grupper fra det australske universitetet i Chile og det katolske universitetet i Louvain (Belgia), med mÃ¥l om Ã¥ Ã¥ fremme vitenskapelig utveksling og internasjonalt samarbeidIfølge MartÃnez selv er dette et tydelig eksempel pÃ¥ hvordan anvendt agronomi kan svare pÃ¥ de reelle problemene i omrÃ¥det uten Ã¥ gi opp forskning pÃ¥ høyt nivÃ¥.
Parallelt, innenfor forskningsringen i vitenskap og teknologi-prosjektet «PASSA» (ACT 192073), er et konsortium bestående av INIA La Cruz, Universitetet i Chile og Arturo Prat-universitetet utvikle formuleringer for å øke tomaters toleranse for vannmangel og saltinnholdMålet er å spare vann og opprettholde levedyktig produksjon i områder som er rammet av disse abiotiske stressfaktorene.
En av disse formuleringene, generelt kalt en «biomodulator», kombinerer naturlige forbindelser med sterk antioksidantkapasitet, som liposyre og visse karotenoidersammen med andre kjemiske molekyler som allerede har vist lovende resultater i tidligere forsøk ved Universitetet i Chile. Når det brukes som bladspray, har det som mål å redusere oksidativt stress forårsaket av tørke og saltinnhold i planteceller.
Den andre formuleringen er basert på Rhizobakterier isolert fra planter som vokser i Atacamaørkenenet ekstremt tørt og saltholdig miljø. Studier fra Arturo Prat-universitetet har vist at disse bakteriene gir plantene de omgås med saltholdighetsresistens, slik at de kan trives under forhold som ville være dødelige for de fleste dyrkede arter.
I tillegg samarbeider INIA La Cruz med plantevekstfremmende midler (PGPR) hentet fra deres mikroorganismebankI veksthusforsøk har det blitt observert at påføring av disse rhizobakteriene på tomatplanter utsatt for saltinnhold forbedrer veksten og vekstkraften deres betydelig.
Flere konsortier blir testet: ett dannet av stammer av Pseudomonas med opprinnelse fra saltholdige miljøer i nord, valgt ut av professor Ricardo Tejos' gruppe ved Arturo Prat-universitetet, og en annen med forskjellige stammer av slekten StaphylococcusI tillegg er det en belastning av Bacillus amyloliquefaciens, identifisert av Microbial Genetic Resources Bank of INIA Quilamapu som tolerant mot saltinnhold.
Vekstfremmende midler basert på basiller er faktisk de mest utbredte bioproduktene i verden. På grunn av deres trygghet for mennesker og deres effektivitet i å bekjempe et bredt spekter av skadedyr og sykdommer, avhengig av hvilken stamme som brukes, anslås de å representere omtrent 90 % av det globale markedet for biologiske kontrollmidler.
Felt- og drivhusforsøk i Chile utføres på to typer tomat: en ubestemt kommersiell hybridsort og en lokal sort kalt Poncho NegroTypisk for Yuta-dalen og Azapa-området, i Arica- og Parinacota-regionen. I alle tilfeller sammenlignes kontrollplanter med andre som er utsatt for mer salt for å generere markert stress, og effekten av de forskjellige formuleringene analyseres.
Som dr. MartÃnez pÃ¥peker, Bruk av rhizobakterier og mikroorganismebaserte bioprodukter kan redusere noe av bruken av kjemiske produkter. Innen landbruket gÃ¥r dette mot renere og mer bærekraftig produksjon. Disse bioproduktene er basert pÃ¥ fornybare biologiske ressurser og har generelt svært lav miljøpÃ¥virkning, selv om det fortsatt er behov for mye mer informasjon om utvikling og formulering for Ã¥ optimalisere bruken.
Denne arbeidslinjen er spesielt verdifull fordi Løsningene er utformet med tanke på den chilenske bondens virkelighet.Doser, påføringstider og produktkombinasjoner testes, og kan deretter overføres direkte til daglig praksis, uten at produsenten må gjøre drastiske endringer i sin arbeidsmåte.
Den genetiske skatten til ville tomater
Utover avansert bioteknologi eller mikrobielle bioprodukter, ligger én kilde til løsninger på saltinnhold i de ville slektningene til den dyrkede tomatenForskere ved Boyce Thompson Institute har studert i detalj Solanum pimpinellifolium, den nærmeste ville slektningen til den tamme tomaten, kjennetegnet ved å ha små kirsebærlignende frukter, men enormt genetisk mangfold og stor motstandskraft mot stress.
Dette arbeidet presenterte forskjellige linjer av S. pimpinellifolium på forskjellige nivåer av saltvannsstressBåde i veksthus og i felt ble det brukt fenotypingsteknikker med høy gjennomstrømning, svært lik de som er beskrevet i CBGP. Analysen avdekket enorme variasjoner i hvordan disse plantene taklet saltinnhold, alt fra enkeltplanter som viste så å si ingen stress til andre som led betydelige avlingstap.
Et av de mest slående resultatene var at Plantens generelle vekstkraft (dens evne til å vokse raskt og sterkt) var en avgjørende faktor for dens salttoleranse.De mest vekstkraftige plantene tålte stress bedre, noe som tyder på at seleksjon for vekstkraft indirekte kan forbedre salttoleransen i avlsprogrammer.
Det ble også funnet at egenskaper som transpirasjonshastigheten, massen av luftskuddene og akkumuleringen av ioner (spesielt natrium og kalium) i vevet De korrelerte med ytelse under saltstress. Interessant nok, mens transpirasjon var nøkkelen til å forklare drivhusytelsen, var den faktoren som var nærmest relatert til avling under feltforhold plantens overjordiske masse.
Det mest overraskende var kanskje å oppdage at Den totale mengden salt som akkumulerte seg i bladene var ikke så avgjørende for avlingen som man hadde antatt.Dette funnet utfordrer noen klassiske ideer om salttoleranse, som nesten utelukkende fokuserte på å begrense tilførsel eller akkumulering av natrium i luftvev, og åpner for nye arbeidslinjer fokusert på andre tilpasningsmekanismer.
Studien, publisert i The Plant Journal, tillatt å identifisere kandidatgener som ikke tidligere hadde vært assosiert med saltstresstoleranseDisse spesifikke genotypene kan brukes som alleldonorer i avlsprogrammer for å introdusere salttoleranse i dyrkede tomater og andre relaterte avlinger.
Alt i alt, denne forskningen Det forsterker ideen om at de ville slektningene til kulturplanter er en veritabel bank av løsninger. I møte med klimaendringer og nye miljøforhold kan disse materialene, kombinert med klassiske genetiske forbedringsteknikker og moderne genomikk- og fenotypingsverktøy, akselerere etableringen av mer robuste landbruksvarianter.
La konvergens av alle disse arbeidslinjene – transgene salttolerante tomater, lokale rotstokker, rhizobakteriebaserte bioprodukter, korn som utnytter atmosfærisk nitrogen og intensiv bruk av villtomatmangfoldet – peker mot en en mye mer robust landbruksmodell i møte med klimaendringer og jordforringelse. Selv om det fortsatt vil ta år før vi ser noen av disse innovasjonene i massiv skala i supermarkeder eller på gårder, er veien tydelig lagt ut: integrering av bioteknologi, mikrobiell økologi og genetisk forbedring for å fortsette å høste saftige tomater der salt og tørke så ut til å ha vunnet.
