Zemědělství čelí jedné z největších výzev ve své historiiProdukovat dostatek potravin pro populaci, která během několika desetiletí dosáhne téměř 9.700 miliardy lidí na teplejší a sušší planetě se stále extrémnějšími povětrnostními jevy. V této souvislosti Rajčata odolná vůči soli Přestávají být vědeckou kuriozitou a stávají se skutečnou nutností v mnoha zemědělských oblastech světa.
Současně rostlinná biotechnologie, klasické genetické šlechtění a využití prospěšných mikroorganismů Vyvíjejí řadu řešení, která zajistí, že důležité plodiny, jako jsou rajčata, obiloviny a brukvovité rostliny, zůstanou ziskové v půdách s vysokou mírou slanosti a nízkým nedostatkem vody. Laboratoře ve Španělsku, Chile a mezinárodních centrech již pracují s divokými rajčaty, podnožemi, rhizobakteriemi a obrannými proteiny, aby rostliny „ochránily“ před těmito abiotickými stresy.
Proč se slanost stala naléhavým problémem
Zvyšování globální teploty, zesilování sucha a pokračující využívání závlahové vody s vysokým obsahem soli. Způsobují prudký nárůst slanosti mnoha zemědělských půd. Tento jev byl obzvláště jasně zdokumentován v suchých a polosuchých oblastech, jako je střední a severní Chile, ale postihuje i středomořské oblasti Španělska a dalších částí světa, kde je voda stále vzácnější a horší kvality.
Zaslanění půdy je jedním z nejškodlivějších abiotických stresorů pro zemědělskou produktivitu.U plodin, jako jsou rajčata, se při zvýšení koncentrace soli naruší klíčové procesy: klíčení semen, vitalita sazenic, vegetativní růst, kvetení a tvorba plodů. To vše má za následek nižší hektarové výnosy a snížení komerční kvality rajčat.
Například v Chile se odhaduje, že jich je přibližně 1 500 hektarů postiženo vážnými problémy se slaností a vysokým obsahem uhličitanůzejména v suchých klimatických pásmech, kde se zavlažování provádí slanou vodou a aplikacemi hnojiva špatně upraveným způsobemÚdolí Lluta je paradigmatickým případem: zde byla v rajčatových plantážích naměřena elektrická vodivost až 11,5 dS/m, což jsou hodnoty, které by jakákoli příručka považovala pro zahradnickou plodinu za extrémní.
Účinek soli na rostliny jde nad rámec „spálení“ kořenů nebo listůNadbytek sodíku a dalších iontů narušuje vodní rovnováhu a způsobuje osmotický stres, ale také vytváří silný oxidační stres v rostlinných buňkách. Rostlina proto reaguje aktivací obranných mechanismů, úpravou transpirace, modifikací růstu kořenů a reorganizací svých zásob iontů, jako je sodík a draslík.
Tváří v tvář této situaci, Hledání rajčat, která by se dobře rozvíjela v zasolených půdách, není laboratorní rozmar.ale spíše závazek pokračovat v obdělávání půdy, která je v současné době na hranici svých možností nebo je přímo vyloučena pro intenzivní produkci.
Výzkum ve Španělsku: proteiny rezistence a transgenní rajčata
Ve Španělsku je jednou z předních organizací v této oblasti Centrum pro rostlinnou biotechnologii a genomiku (CBGP)kde velký tým výzkumníků studuje, jak rostliny rostou, jak interagují s mikroorganismy a jak se přizpůsobují změně klimatu a nepříznivým podmínkám prostředí.
Cílem CBGP je vyvinout biotechnologická řešení, která řeší problémy s významným sociálním dopadem.: zmírnit dopady změny klimatu na zemědělství, produkovat plodiny s vyšší nutriční hodnotou, zvýšit biomasu dostupnou pro potraviny a energii a samozřejmě získat rostliny, které jsou odolnější vůči suchu, slanosti a vlnám veder.
Jejich laboratoře zkoumají, jak rostliny vnímají a jak se s nimi vyrovnávají. zvyšování teploty, dlouhá období sucha a půdy s vysokou koncentrací solíNa základě toho se identifikují molekulární mechanismy a obranné proteiny, které určitým rostlinám umožňují lépe odolávat těmto environmentálním stresům. Jakmile jsou tyto mechanismy detekovány, vědci provádějí experimenty typu „proof-of-concept“, v nichž generují transgenní rostliny, které tyto proteiny akumulují nebo tyto mechanismy aktivují zesíleným způsobem.
Nejvýraznějším výsledkem je zatím vývoj rostlin rajčat odolných vůči zasolení.Tyto experimentální rostliny, na které již byla podána žádost o evropský patent, nejen přežívají v slaném prostředí, ale také si udržují přijatelný výnos a vegetativní vývoj tam, kde by jiná rajčata selhala.
Výzkumníci CBGP jsou přesvědčeni, že Stejnou technologii lze aplikovat i na jiné plodiny, které jsou citlivější na sůl než rajčata., jako je hrách, fazole, kukuřice, jahody nebo brukvovité rostliny (zelí, brokolice…). Ty jsou základní součástí každodenní stravy a ztráta jejich výnosu v důsledku slanosti by měla závažné důsledky pro potravinovou bezpečnost, a proto je také zájem o jejich adaptaci.
Práce s obrannými proteiny však není z hlediska bezpečnosti potravin tak jednoduchá.Mnoho z těchto proteinů patří do rodin, které také obsahují alergenní proteiny. Proto v rámci samotného CBGP existuje specializovaná skupina pro alergeny, která pečlivě analyzuje vlastnosti, které činí protein alergenním, a posuzuje, zda nové varianty představují pro spotřebitele riziko.
Cílem je zajistit, aby jakékoli biotechnologické řešení, ať už je sebevíc slibné z hlediska odolnosti vůči stresuMusí splňovat bezpečnostní normy a nesmí vyvolávat nové potravinové alergie. Tato část, méně okázalá než vytváření „hvězdných“ transgenních rostlin, je naprosto klíčová pro to, aby se tyto pokroky dostaly do praxe a na trh.
High-tech skleníky a digitální fenotypizace
Pro rozvoj těchto projektů má CBGP nejen laboratoře molekulární biologie a genetiky, ale také nejmodernější zařízení pro pěstování rostlin za přísně kontrolovaných podmínekPro plodinové pokusy mají upravenou plochu o rozloze přibližně 1.900 2 m², včetně skleníku o rozloze 1.200 2 m² vybaveného specifickými systémy klimatizace a osvětlení.
Uvnitř těchto skleníků, a automatizovaná infrastruktura pro digitální fenotypizaciDva plně klimatizované moduly typu P2 (úroveň transgenní ochrany) dokáží regulovat teplotu v rozsahu 10 až 45 °C a simulovat tak vše od chladných nocí až po intenzivní vlny veder. V těchto modulech robotický systém automaticky zaznamenává růst rostlin, spotřebu vody, stav hydratace a závažnost stresových symptomů.
Díky těmto vysoce výkonným fenotypizačním nástrojům mohou vědci přesně měřit, jak každá rostlina reaguje. na slanost, sucho nebo extrémní horko. Nejde jen o vizuální pozorování, zda vadne či nikoli, ale o to, abychom měli k dispozici kontinuální a srovnatelná data z desítek nebo stovek genotypů současně.
Dalším klíčovým prvkem těchto zařízení jsou rhizotrony, struktury s průhlednými deskami, které umožňují pozorování kořenového systému aniž by bylo nutné rostlinu vytrhávat. Studují tloušťku, hloubku a větvení kořenů, stejně jako vliv různých úrovní soli nebo biologických produktů na jejich vývoj.
Zajímavým aspektem je to Přístup k těmto platformám není omezen pouze na týmy CBGPJsou také otevřeni projektům od jiných veřejných i soukromých organizací, které se zajímají o řešení hlavních výzev zemědělství budoucnosti. To podporuje spolupráci a urychluje přenos znalostí z akademické sféry do produktivního sektoru.
Obiloviny, které „dýchají“ dusík: méně hnojiv, větší udržitelnost
Kromě slanosti je v CBGP další otevřenou frontou snížení používání dusíkatých hnojiv v intenzivním zemědělstvíPřestože tato hnojiva hrají klíčovou roli v dosažení vysokých výnosů obilovin, jako je rýže, pšenice nebo kukuřice, jejich dopad na životní prostředí je obrovský: kontaminace podzemních vod a řek, degradace půdy a emise skleníkových plynů během jejich výroby a používání.
Výzkumník Luis Rubio vede projekt financovaný Nadací Gates, jehož cílem je získat obiloviny schopné přímo využívat dusík ze vzduchuTo je něco, co doposud dokázaly jen některé bakterie díky enzymu nitrogenáze. Rostliny tento enzym přirozeně nemají, takže jsou závislé na zdrojích dusíku dostupných v půdě, z nichž mnohé pocházejí z chemických hnojiv.
Tato práce využívá bakterie fixující dusík jako Azotobacter vinelandii (často spojovaný s půdní mikrobiotou a známý v oblasti biotechnologií) jako model pro přenos genů zodpovědných za fixaci dusíku na obiloviny. Konečným cílem je, aby tyto plodiny mohly určitým způsobem „dýchat“ atmosférický dusík a metabolizovat ho pro svůj růst.
Pokud bude tento směr výzkumu úspěšný, otevřel by dveře k mnohem udržitelnějšímu zemědělství.To by drasticky snížilo používání chemických hnojiv a jejich uhlíkovou stopu. Dále by to pomohlo obnovit degradované půdy a minimalizovat znečištění vodních ekosystémů, zejména v regionech, kde se tyto vstupy po celá desetiletí nadužívaly.
Sám tým ale uznává, že To je extrémně ambiciózní cíl, který bude vyžadovat desetiletí práce.Vývoj samohnojivých obilovin, jako je rýže, pšenice nebo kukuřice, je jedním z velkých cílů moderní biotechnologie, ale také technologickou výzvou nejvyšší úrovně, která vyžaduje integraci genetiky, fyziologie rostlin, mikrobiální ekologie a aspektů environmentální bezpečnosti.
Chile: podnože, antioxidační přípravky a rhizobakterie
V Chile se několik výzkumných skupin zabývá problémem slanosti z různých doplňkových přístupů. Jedním z nejpokročilejších projektů je ten, který propaguje Výzkumná skupina pro fyziologii rostlin a molekulární biologii INIA La Cruz, v regionu Valparaíso, spolu s národními a mezinárodními univerzitami.
Na jedné straně byl zahájen projekt FONDECYT (1180958) zaměřený na vývoj podnoží rajčat tolerantních k zasoleníToho je dosaženo křížením pěstovaných rajčat (Solanum lycopersicum) a divokých rajčat Solanum chilense, místního druhu přizpůsobeného slanému prostředí. Cílem není změnit komerční odrůdy ovoce, ale spíše vylepšit „botu“, tedy podnož, na kterou se roubuje nadzemní část rostliny.
Tyto 100% chilské podnože umožní přijatelné výnosy a kvalitní plody v půdách s vysokou koncentrací solí.zachování komerčních vlastností rajčat, která jsou již na trhu známá. Podle Dr. Juana Pabla Martíneze vykazují výsledné materiály zajímavé mechanismy tolerance vůči solnému stresu, což otevírá dveře k rozšíření pěstebních ploch.
Tato práce je prováděna ve spolupráci se skupinami z Australské univerzity v Chile a Katolické univerzity v Lovani (Belgie) s cílem podporovat vědeckou výměnu a mezinárodní spolupráciPodle samotného Martíneze je to jasný příklad toho, jak může aplikovaná agronomie reagovat na skutečné problémy území, aniž by se musela vzdát výzkumu na vysoké úrovni.
Souběžně v rámci projektu Research Ring in Science and Technology „PASSA“ (ACT 192073) probíhá konsorcium INIA La Cruz, Chilské univerzity a Univerzity Artura Prata. vývoj receptur pro zvýšení tolerance rajčat vůči nedostatku vody a slanostiCílem je šetřit vodou a udržovat životaschopnou produkci v oblastech postižených těmito abiotickými stresy.
Jedna z těchto formulací, obecně nazývaná „biomodulátor“, kombinuje přírodní sloučeniny se silnou antioxidační kapacitou, jako je kyselina lipoová a některé karotenoidyspolu s dalšími chemickými molekulami, které již v předchozích pokusech na Chilské univerzitě vykázaly slibné výsledky. Při aplikaci jako listový postřik má za cíl zmírnit oxidační stres způsobený suchem a zasolením rostlinných buněk.
Druhá formulace je založena na Rhizobakterie izolované z rostlin rostoucích v poušti Atacamaextrémně suché a slané prostředí. Studie Univerzity Artura Prata ukázaly, že tyto bakterie propůjčují rostlinám, s nimiž se sdružují, odolnost vůči slanosti, což jim umožňuje prospívat v podmínkách, které by byly pro většinu pěstovaných druhů smrtelné.
Kromě toho INIA La Cruz spolupracuje s stimulátory růstu rostlin (PGPR) získané z jejich Banky mikroorganismůV pokusech ve sklenících bylo pozorováno, že aplikace těchto rhizobakterií na rostliny rajčat vystavené zasolení významně zlepšuje jejich růst a energii.
Testuje se několik konsorcií: jedno tvořené kmeny Pseudomonas pocházející ze slaných prostředí na severu, vybraný skupinou profesora Ricarda Tejose na Univerzitě Artura Prata, a další s různými kmeny rodu StaphylococcusKromě toho existuje kmen Bacillus amyloliquefaciens, identifikovaný Bankou mikrobiálních genetických zdrojů INIA Quilamapu jako tolerantní k slanosti.
Růstové stimulátory na bázi Bacillus jsou ve skutečnosti nejrozšířenějšími bioprodukty na světě. Vzhledem k jejich bezpečnosti pro člověka a účinnosti při kontrole široké škály škůdců a chorob se odhaduje, že v závislosti na použitém kmeni představují přibližně 90 % celosvětového trhu s biologickými kontrolními prostředky.
Polní a skleníkové pokusy v Chile se provádějí na dvou druzích rajčat: neurčitá komerční hybridní odrůda a místní odrůda s názvem Poncho NegroTypické pro údolí Yuta a oblast Azapa v regionech Arica a Parinacota. Ve všech případech jsou kontrolní rostliny porovnávány s jinými vystavenými většímu množství soli za účelem vytvoření výrazného stresu a je analyzován vliv různých formulací.
Jak zdůrazňuje Dr. Martínez, Používání rhizobakterií a bioproduktů na bázi mikroorganismů může částečně snížit používání chemických produktů. V zemědělství se jedná o přechod k čistší a udržitelnější produkci. Tyto bioprodukty jsou založeny na obnovitelných biologických zdrojích a obecně mají velmi nízký dopad na životní prostředí, ačkoli pro optimalizaci jejich využití je stále zapotřebí mnohem více informací o vývoji a formulaci.
Tato pracovní linie je obzvláště cenná, protože Řešení jsou navržena s ohledem na realitu chilského farmáře.Testují se dávky, doby aplikace a kombinace produktů, které lze poté přímo přenést do každodenní praxe, aniž by výrobce musel drasticky měnit svůj způsob práce.
Genetický poklad divokých rajčat
Kromě pokročilé biotechnologie nebo mikrobiálních bioproduktů spočívá jeden ze zdrojů řešení slanosti v divocí příbuzní pěstovaných rajčatVýzkumníci z Boyce Thompson Institute podrobně studovali Solanum pimpinellifolium, nejbližšího divokého příbuzného domácího rajčete, který se vyznačuje malými plody podobnými třešním, ale obrovskou genetickou rozmanitostí a velkou odolností vůči stresu.
Tato práce prezentovala různé linie S. pimpinellifolium při různých úrovních solného stresuJak ve sklenících, tak v terénu byly použity vysoce výkonné fenotypizační techniky velmi podobné těm, které jsou popsány v CBGP. Analýza odhalila obrovské rozdíly v tom, jak se tyto rostliny vyrovnaly se slaností, od jedinců, které nevykazovaly prakticky žádný stres, až po ty, které utrpěly značné ztráty výnosu.
Jedním z nejpozoruhodnějších výsledků bylo, že Celková síla rostliny (její schopnost rychle a silně růst) byla rozhodujícím faktorem pro její toleranci vůči soli.Nejvitálnější rostliny lépe odolávaly stresu, což naznačuje, že selekce s ohledem na vitalitu by mohla nepřímo zlepšit toleranci slanosti v šlechtitelských programech.
Bylo také zjištěno, že vlastnosti, jako například rychlost transpirace, hmotnost nadzemních výhonků a akumulace iontů (zejména sodíku a draslíku) v pletivech Korelovaly s výkonností za solného stresu. Je zajímavé, že zatímco transpirace byla klíčem k vysvětlení výkonnosti ve skleníku, v polních podmínkách byla faktorem, který nejvíce souvisel s výnosem, nadzemní hmotnost rostliny.
Asi nejpřekvapivější bylo zjistit, že Celkové množství soli nahromaděné v listech nebylo pro výnos tak zásadní, jak se předpokládalo.Toto zjištění zpochybňuje některé klasické představy o toleranci soli, které se zaměřovaly téměř výhradně na omezení vstupu nebo akumulace sodíku ve tkáních vzduchu, a otevírá nové směry výzkumu zaměřené na další adaptační mechanismy.
Studie publikovaná v Plant Journal, dovoleno identifikovat kandidátské geny, které dříve nebyly spojovány s tolerancí vůči solnému stresuTyto specifické genotypy lze použít jako dárce alel ve šlechtitelských programech k zavedení tolerance vůči soli u pěstovaných rajčat a dalších příbuzných plodin.
Celkově tento výzkum Posiluje to myšlenku, že divoce rostoucí příbuzní pěstovaných rostlin jsou skutečnou zásobárnou řešení. Tváří v tvář klimatickým změnám a novým podmínkám prostředí mohou tyto materiály v kombinaci s klasickými technikami genetického vylepšování a moderními nástroji genomiky a fenotypizace urychlit vytváření odolnějších zemědělských odrůd.
La konvergence všech těchto pracovních linií —transgenní rajčata tolerantní k soli, místní podnože, bioprodukty na bázi rhizobakterií, obiloviny využívající atmosférický dusík a intenzivní využívání rozmanitosti divokých rajčat — poukazuje na… mnohem odolnější zemědělský model tváří v tvář klimatickým změnám a degradaci půdy. I když ještě potrvá roky, než se některé z těchto inovací ve velkém měřítku objeví v supermarketech nebo na farmách, cesta je jasně vytyčena: integrace biotechnologií, mikrobiální ekologie a genetického vylepšení, aby se i nadále sklízela šťavnatá rajčata tam, kde se zdálo, že zvítězily sůl a sucho.
