Земеделието е изправено пред едно от най-големите предизвикателства в своята историяЗа да се произведе достатъчно храна за население, което ще достигне близо 9.700 милиарда души само след няколко десетилетия, на по-топла и по-суха планета с все по-екстремни метеорологични явления. В този контекст, Домати, устойчиви на сол Те престават да бъдат научен куриоз и се превръщат в реална необходимост в много селскостопански райони на света.
В същото време, растителна биотехнология, класическо генетично усъвършенстване и използване на полезни микроорганизми Те разработват редица решения, за да гарантират, че важни култури като домати, зърнени култури и кръстоцветни остават рентабилни в почви с високи нива на соленост и нисък воден стрес. Лаборатории в Испания, Чили и международни центрове вече работят с диви домати, подложки, ризобактерии и защитни протеини, за да „защитават“ растенията от тези абиотични стресове.
Защо солеността се е превърнала в спешен проблем
Повишаването на глобалната температура, засилването на сушите и продължаващото използване на напоителна вода с високо съдържание на сол. Те причиняват рязко повишаване на солеността на много земеделски почви. Това явление е особено ясно документирано в сухи и полусухи региони, като например централно и северно Чили, но засяга и средиземноморските райони на Испания и други части на света, където водата е все по-оскъдна и с по-лошо качество.
Солеността на почвата е един от най-вредните абиотични стресови фактори за селскостопанската продуктивност.При култури като доматите, когато концентрациите на сол се увеличат, се нарушават ключови процеси: покълване на семената, жизненост на разсада, вегетативен растеж, цъфтеж и образуване на плодове. Всичко това води до по-ниски добиви на хектар и намаляване на търговското качество на доматите.
В Чили, например, се смята, че има около 1.500 хектара са засегнати от сериозни проблеми със солеността и високи нива на карбонатиособено в сухи климатични зони, където напояването се извършва със солена вода и приложения торове по лошо регулиран начинДолината Люта е парадигматичен случай: там в доматени насаждения са измерени стойности на електрическа проводимост до 11,5 dS/m, стойности, които всеки наръчник би сметнал за екстремни за градинарска култура.
Ефектът на солта върху растенията надхвърля „изгарянето“ на корени или листаИзлишъкът от натрий и други йони нарушава водния баланс и причинява осмотичен стрес, но също така генерира силен оксидативен стрес в растителните клетки. Следователно, растението реагира чрез активиране на защитни механизми, регулиране на транспирацията, модифициране на растежа на корените и реорганизиране на запасите си от йони като натрий и калий.
Изправен пред тази ситуация, Търсенето на домати, които могат да се развиват добре в солени почви, не е лабораторна прищявка.а по-скоро ангажимент за продължаване на обработването на земи, които в момента са на предела на възможностите си или са директно изключени за интензивно производство.
Изследвания в Испания: протеини на резистентност и трансгенни домати
В Испания една от водещите организации в тази област е Център за растителна биотехнология и геномика (CBGP)където голям екип от изследователи изучава как растенията растат, как взаимодействат с микроорганизмите и как се адаптират към изменението на климата и неблагоприятните условия на околната среда.
Целта на CBGP е да разработи биотехнологични решения, които да адресират проблеми със значително социално въздействие.: намаляване на последиците от изменението на климата върху селското стопанство, генериране на култури с по-висока хранителна стойност, увеличаване на биомасата, достъпна за храна и енергия, и, разбира се, получаване на растения, които са по-толерантни към суша, засоленост и горещи вълни.
Техните лаборатории изследват как растенията възприемат и се справят повишаване на температурите, дълги периоди на суша и почви с висока концентрация на солиОттам се идентифицират молекулярните механизми и защитните протеини, които позволяват на определени растения да издържат по-добре на тези екологични стресове. След като бъдат открити, учените създават експерименти за „доказателство на концепцията“, в които генерират трансгенни растения, които натрупват тези протеини или активират тези механизми по засилен начин.
Най-поразителният резултат досега е развитието на доматени растения, устойчиви на засоляване.Тези експериментални растения, за които вече е подадена заявка за европейски патент, не само оцеляват в солена среда, но и поддържат приемлив добив и вегетативно развитие там, където други домати не биха се справили.
Изследователите на CBGP са убедени, че Същата технология може да се приложи и към други култури, които са по-чувствителни към сол от доматите., като грах, боб, царевица, ягоди или кръстоцветни (зеле, броколи...). Последните са основни в ежедневната диета и загубата на добив поради засоленост би имала важни последици за продоволствената сигурност, откъдето идва и интересът към тяхното адаптиране.
Работата със защитните протеини обаче не е толкова проста от гледна точка на безопасността на храните.Много от тези протеини принадлежат към семейства, които също съдържат алергенни протеини. Следователно, в рамките на самия CBGP има специализирана група по алергени, която щателно анализира характеристиките, които правят даден протеин алергенен, и оценява дали новите варианти представляват риск за потребителите.
Целта е да се гарантира, че всяко биотехнологично решение, колкото и обещаващо да е то по отношение на устойчивостта на стресТрябва да отговаря на стандартите за безопасност и да не генерира нови хранителни алергии. Тази част, по-малко показна от създаването на „звездни“ трансгенни растения, е абсолютно ключова за достигането на тези постижения до полето и пазара.
Високотехнологични оранжерии и дигитално фенотипизиране
За да разработва тези проекти, CBGP разполага не само с лаборатории по молекулярна биология и генетика, но и най-съвременни съоръжения за отглеждане на растения при строго контролирани условияТе разполагат с около 1.900 м2, пригодени за опити с култури, включително оранжерия от 1.200 м2, оборудвана със специфични системи за климатичен контрол и осветление.
Вътре в тези оранжерии, a автоматизирана инфраструктура за дигитално фенотипизиранеДва напълно климатизирани модула от тип P2 (трансгенно ниво на задържане) могат да регулират температурата в диапазон от 10 до 45°C, симулирайки всичко - от студени нощи до интензивни горещи вълни. В тези модули роботизирана система автоматично записва растежа на растенията, потреблението на вода, състоянието на хидратация и тежестта на симптомите на стрес.
Благодарение на тези високопроизводителни инструменти за фенотипизиране, изследователите могат точно да измерят как всяко растение реагира. на соленост, суша или екстремни горещини. Не става въпрос само за визуално наблюдение дали увяхва или не, а за наличие на непрекъснати и сравними данни от десетки или стотици генотипове едновременно.
Друг ключов елемент от тези съоръжения са ризотрони, структури с прозрачни плочи, които позволяват наблюдение на кореновата система без да е необходимо да се изкоренява растението. Те изучават дебелината, дълбочината и разклоняването на корените, както и ефекта на различните нива на сол или биологични продукти върху тяхното развитие.
Интересен аспект е това Достъпът до тези платформи не е ограничен само до екипите на CBGPТе са отворени и за проекти от други публични и частни организации, заинтересовани от справяне с основните предизвикателства на селското стопанство на бъдещето. Това насърчава сътрудничеството и ускорява трансфера на знания от академичните среди към производствения сектор.
Зърнени култури, които „дишат“ азот: по-малко торове, повече устойчивост
Освен солеността, друг открит фронт в CBGP е намаляване на употребата на азотни торове в интензивното земеделиеВъпреки че тези торове са ключови за постигането на високи добиви от зърнени култури като ориз, пшеница или царевица, тяхното въздействие върху околната среда е огромно: замърсяване на подпочвените води и реките, деградация на почвата и емисии на парникови газове по време на тяхното производство и употреба.
Изследователят Луис Рубио ръководи проект, финансиран от фондация „Гейтс“, чиято цел е за получаване на зърнени култури, способни директно да използват азот от въздухаТова е нещо, което досега само някои бактерии са били способни да правят благодарение на ензима нитрогеназа. Растенията не притежават този ензим естествено, така че зависят от наличните в почвата източници на азот, много от които идват от химически торове.
Тази работа използва азотфиксиращи бактерии като Azotobacter vinelandii (често свързван с почвената микробиота и известен в областта на биотехнологиите) като модел за прехвърляне на гените, отговорни за фиксацията на азота, към зърнените култури. Крайната цел е тези култури да могат по някакъв начин да „дишат“ атмосферния азот и да го метаболизират за растежа си.
Ако тази линия на изследване е успешна, тя би отворила вратата към много по-устойчиво земеделие.Това би намалило драстично употребата на химически торове и техния въглероден отпечатък. Освен това би спомогнало за възстановяване на деградиралите почви и би сведело до минимум замърсяването на водните екосистеми, особено в региони, където тези ресурси са били прекомерно използвани в продължение на десетилетия.
Самият екип обаче признава, че Това е изключително амбициозна цел, която ще изисква десетилетия работа.Разработването на самоопрашващи се зърнени култури като ориз, пшеница или царевица е едно от големите стремежи на съвременните биотехнологии, но също така и технологично предизвикателство от най-високо ниво, което изисква интегриране на генетиката, физиологията на растенията, микробната екология и съображенията за екологична безопасност.
Чили: подложки, антиоксидантни формулировки и ризобактерии
В Чили няколко изследователски групи разглеждат проблема със солеността чрез допълващи се подходи. Един от най-напредналите проекти е този, насърчаван от Изследователска група по физиология на растенията и молекулярна биология на INIA La Cruz, в региона Валпараисо, съвместно с национални и международни университети.
От една страна, стартира проект FONDECYT (1180958), фокусиран върху разработването на подложки за домати, устойчиви на засоляванеТова се постига чрез кръстосване между култивирани домати (Solanum lycopersicum) и дивия домат Solanum chilense, местен вид, адаптиран към солени среди. Идеята не е да се променят търговските сортове плодове, а по-скоро да се подобри „обувката“, т.е. подложката, върху която се присажда надземната част на растението.
Тези 100% чилийски подложки ще позволят приемливи добиви и качествени плодове в почви с висока концентрация на соли.запазвайки търговските характеристики на доматите, които вече са известни на пазара. Според д-р Хуан Пабло Мартинес, получените материали показват интересни механизми на толерантност към солен стрес, което отваря вратата за разширяване на площите за отглеждане.
Тази работа се извършва в сътрудничество с групи от Австралския университет в Чили и Католическия университет в Лувен (Белгия), с цел... да насърчава научния обмен и международното сътрудничествоСпоред самия Мартинес, това е ясен пример за това как приложната агрономия може да отговори на реалните проблеми на територията, без да се отказва от изследвания на високо ниво.
Успоредно с това, в рамките на проекта „Изследователски пръстен в науката и технологиите“ „PASSA“ (ACT 192073), консорциум от INIA La Cruz, Чилийския университет и Университета „Артуро Прат“ разработване на формули за повишаване на толерантността на доматите към недостиг на вода и соленостЦелта е да се спести вода и да се поддържа жизнеспособно производство в райони, засегнати от тези абиотични стресове.
Една от тези формулировки, общо наричана „биомодулатор“, комбинира естествени съединения със силен антиоксидантен капацитет, като липоева киселина и някои каротеноидизаедно с други химични молекули, които вече бяха показали обещаващи резултати в предишни опити в Чилийския университет. Когато се прилага като листен спрей, той има за цел да смекчи оксидативния стрес, причинен от суша и засоленост в растителните клетки.
Другата формулировка е базирана на Ризобактерии, изолирани от растения, растящи в пустинята Атакамаизключително суха и солена среда. Проучвания от университета „Артуро Прат“ показват, че тези бактерии придават устойчивост на соленост на растенията, с които се свързват, което им позволява да виреят в условия, които биха били смъртоносни за повечето култивирани видове.
Освен това, INIA La Cruz работи с стимулатори на растежа на растенията (PGPR), получени от тяхната банка за микроорганизмиВ оранжерийни опити е наблюдавано, че прилагането на тези ризобактерии върху доматени растения, подложени на засоляване, значително подобрява растежа и жизнеността им.
Няколко консорциума се тестват: единият е сформиран от щамове на Pseudomonas произхождащ от солени среди на север, селектиран от групата на професор Рикардо Техос в университета „Артуро Прат“, и друг с различни щамове от рода СтафилококОсвен това, има щам на Bacillus amyloliquefaciens, идентифициран от Банката за микробни генетични ресурси на INIA Quilamapu като толерантен към соленост.
Стимулаторите на растеж на базата на Bacillus всъщност са най-разпространените биопродукти в света. Поради тяхната безопасност за хората и ефективността им в борбата с широк спектър от вредители и болести, в зависимост от използвания щам, се смята, че те представляват приблизително 90% от световния пазар на биологични контролни агенти.
В Чили се провеждат полеви и оранжерийни опити с два вида домати: неопределен търговски хибриден сорт и местен сорт, наречен Пончо НегроТипично за долината Юта и района на Асапа, в региона Арика и Паринакота. Във всички случаи контролните растения се сравняват с други, изложени на повече сол, за да се генерира забележим стрес, и се анализира ефектът от различните формулировки.
Както посочва д-р Мартинес, Използването на ризобактерии и биопродукти на базата на микроорганизми може да намали част от употребата на химични продукти. В селското стопанство това е преход към по-чисто и по-устойчиво производство. Тези биопродукти са базирани на възобновяеми биологични ресурси и като цяло имат много ниско въздействие върху околната среда, въпреки че е необходима много повече информация за разработването и формулирането, за да се оптимизира тяхното използване.
Тази линия на работа е особено ценна, защото Решенията са разработени с оглед на реалността на чилийския фермер.Дозите, времето за приложение и комбинациите от продукти се тестват, като след това могат да бъдат директно приложени в ежедневната практика, без да се изисква производителят да прави драстични промени в начина си на работа.
Генетичното съкровище на дивите домати
Отвъд напредналите биотехнологии или микробните биопродукти, един от източниците на решения за солеността се крие в дивите роднини на култивирания доматИзследователи от Института Бойс Томпсън са проучили подробно Solanum pimpinellifolium, най-близкият див роднина на домашния домат, характеризиращ се с малки черешовидни плодове, но огромно генетично разнообразие и голяма устойчивост на стрес.
Тази работа е представена различни линии на S. pimpinellifolium при различни нива на физиологичен стресКакто в оранжерии, така и на полето, бяха използвани високопроизводителни техники за фенотипизиране, много подобни на описаните в CBGP. Анализът разкри огромни различия в начина, по който тези растения се справят със засолеността, вариращи от индивиди, които на практика не показват стрес, до други, които претърпяват значителни загуби на добив.
Един от най-поразителните резултати беше, че Цялостната жизненост на растението (способността му да расте бързо и силно) е била решаващ фактор за неговата солеустойчивост.Най-енергичните растения издържаха по-добре на стреса, което предполага, че селекцията за енергичност може косвено да подобри толерантността към соленост в развъдните програми.
Установено е също, че характеристики като скоростта на транспирация, масата на надземните издънки и натрупването на йони (особено натрий и калий) в тъканите Те корелират с производителността при стрес от засоляване. Интересното е, че докато транспирацията е ключова за обяснение на производителността в оранжерии, при полеви условия факторът, най-тясно свързан с добива, е надземната маса на растението.
Може би най-изненадващото беше да открия, че Общото количество сол, натрупано в листата, не е било толкова важно за добива, колкото се е предполагало.Това откритие оспорва някои класически идеи за солевата толерантност, които се фокусираха почти изключително върху ограничаването на навлизането или натрупването на натрий във въздушните тъкани, и открива нови направления на работа, фокусирани върху други механизми на адаптация.
Изследването, публикувано в Дневникът на растенията, позволено да се идентифицира кандидат-гени, които преди това не са били свързани с толерантност към солен стресТези специфични генотипове могат да бъдат използвани като донори на алели в селекционни програми за въвеждане на солеустойчивост в култивирани домати и други сродни култури.
Като цяло, това изследване Това подсилва идеята, че дивите роднини на култивираните растения са истинска банка от решения. В условията на изменението на климата и новите условия на околната среда, тези материали, комбинирани с класически техники за генетично подобрение и съвременни инструменти за геномика и фенотипизиране, могат да ускорят създаването на по-устойчиви селскостопански сортове.
La конвергенция на всички тези направления на работа — трансгенни солеустойчиви домати, местни подложки, биопродукти на базата на ризобактерии, зърнени култури, които използват атмосферен азот, и интензивното използване на разнообразието от диви домати — сочи към… много по-устойчив модел на земеделие в условията на изменението на климата и деградацията на почвата. Въпреки че ще минат години, преди да видим някои от тези иновации в голям мащаб в супермаркетите или във фермите, пътят е ясно очертан: интегриране на биотехнологиите, микробната екология и генетичното подобрение, за да продължи събирането на сочни домати там, където солта и сушата сякаш бяха победили.
