Tarım, tarihinin en büyük zorluklarından biriyle karşı karşıya.Giderek daha sıcak, daha kurak ve aşırı hava olaylarının yaşandığı bir gezegende, sadece birkaç on yıl içinde yaklaşık 9.700 milyar kişiye ulaşacak bir nüfus için yeterli gıda üretmek. Bu bağlamda, Tuza dayanıklı domatesler Bunlar artık bilimsel bir merak konusu olmaktan çıkıp, dünyanın birçok tarım bölgesinde çok gerçek birer gereklilik haline geliyor.
Aynı zamanda, bitki biyoteknolojisi, klasik genetik iyileştirme ve faydalı mikroorganizmaların kullanımı Domates, tahıllar ve lahana gibi önemli mahsullerin yüksek tuzluluk seviyelerine ve düşük su stresine sahip topraklarda karlı kalmasını sağlamak için bir dizi çözüm geliştiriyorlar. İspanya, Şili ve uluslararası merkezlerdeki laboratuvarlar, bitkileri bu abiyotik streslere karşı "korumak" için yabani domatesler, anaçlar, rizobakteriler ve savunma proteinleri üzerinde zaten çalışıyorlar.
Tuzluluk neden acil bir sorun haline geldi?
Küresel sıcaklık artışı, kuraklıkların şiddetlenmesi ve yüksek tuz içeriğine sahip sulama suyunun kullanılmaya devam edilmesi. Bu durum, birçok tarım toprağının tuzluluk oranında ani bir artışa neden oluyor. Bu olgu, özellikle Şili'nin orta ve kuzey bölgeleri gibi kurak ve yarı kurak bölgelerde belirgin bir şekilde belgelenmiştir, ancak suyun giderek daha kıt ve kalitesiz hale geldiği İspanya'nın Akdeniz bölgelerini ve dünyanın diğer bölgelerini de etkilemektedir.
Toprak tuzluluğu, tarımsal verimlilik için en zararlı abiyotik stres faktörlerinden biridir.Domates gibi bitkilerde tuz konsantrasyonu arttığında, tohum çimlenmesi, fide gelişimi, bitkisel büyüme, çiçeklenme ve meyve oluşumu gibi temel süreçler bozulur. Tüm bunlar, hektar başına verimin düşmesine ve domateslerin ticari kalitesinin azalmasına neden olur.
Örneğin Şili'de, yaklaşık olarak şu kadar insan olduğu tahmin ediliyor. 1.500 hektarlık alan ciddi tuzluluk sorunları ve yüksek karbonat seviyelerinden etkilenmiş durumda.özellikle kurak iklim bölgelerinde, sulamanın tuzlu su ile yapıldığı ve çeşitli uygulamaların kullanıldığı durumlarda. gübrelerin yanlış ayarlanmasıLluta Vadisi örnek teşkil eden bir durum: Orada, domates tarlalarında 11,5 dS/m'ye kadar elektrik iletkenliği ölçülmüştür; bu değerler, herhangi bir el kitabında bir bahçe bitkisi için aşırı olarak kabul edilecek değerlerdir.
Tuzun bitkiler üzerindeki etkisi, kökleri veya yaprakları "yakmaktan" daha öteye gider.Fazla sodyum ve diğer iyonlar su dengesini bozarak ozmotik strese neden olur, ancak aynı zamanda bitki hücrelerinde güçlü oksidatif strese de yol açar. Bu nedenle bitki, savunma mekanizmalarını aktive ederek, terlemeyi ayarlayarak, kök büyümesini değiştirerek ve sodyum ve potasyum gibi iyon rezervlerini yeniden düzenleyerek tepki verir.
Bu durumla karşı karşıya kalındığında, Tuzlu topraklarda iyi yetişebilen domates çeşitlerini aramak, laboratuvar ortamında gerçekleşen bir heves değil.Ancak bu, halihazırda kapasite sınırına ulaşmış veya yoğun üretim için doğrudan uygun olmayan arazilerde tarıma devam etme taahhüdüdür.
İspanya'da yapılan araştırmalar: direnç proteinleri ve transgenik domatesler
İspanya'da bu alandaki önde gelen kuruluşlardan biri şudur: Bitki Biyoteknolojisi ve Genomik Merkezi (CBGP)Burada geniş bir araştırma ekibi, bitkilerin nasıl büyüdüğünü, mikroorganizmalarla nasıl etkileşim kurduğunu ve iklim değişikliğine ve olumsuz çevre koşullarına nasıl uyum sağladığını inceliyor.
CBGP'nin amacı, önemli sosyal etkiye sahip sorunlara yönelik biyoteknolojik çözümler geliştirmektir.İklim değişikliğinin tarım üzerindeki etkilerini azaltmak, besin değeri daha yüksek ürünler yetiştirmek, gıda ve enerji için kullanılabilir biyokütleyi artırmak ve elbette kuraklığa, tuzluluğa ve sıcak hava dalgalarına daha dayanıklı bitkiler elde etmek.
Laboratuvarlarında bitkilerin nasıl algıladığını ve bununla nasıl başa çıktığını araştırıyorlar. Sıcaklık artışları, uzun süreli kuraklıklar ve yüksek tuz konsantrasyonuna sahip topraklarBu aşamadan sonra, belirli bitkilerin bu çevresel streslere daha iyi dayanmasını sağlayan moleküler mekanizmalar ve savunma proteinleri belirlenir. Tespit edildikten sonra, bilim insanları bu proteinleri biriktiren veya bu mekanizmaları güçlendirilmiş bir şekilde aktive eden transgenik bitkiler ürettikleri "kavram kanıtı" deneyleri yaparlar.
Şimdiye kadar elde edilen en dikkat çekici sonuç, tuzluluğa dayanıklı domates bitkilerinin geliştirilmesidir.Avrupa patenti başvurusu yapılmış olan bu deneysel bitkiler, sadece tuzlu ortamda hayatta kalmakla kalmıyor, aynı zamanda diğer domates çeşitlerinin başarısız olacağı durumlarda bile kabul edilebilir verim ve bitkisel gelişim gösteriyorlar.
CBGP araştırmacıları şuna inanıyorlar: Aynı teknoloji, domatese göre tuza daha duyarlı olan diğer ürünlere de uygulanabilir.Bezelye, fasulye, mısır, çilek veya lahana, brokoli gibi sebzeler. Sonuncusu günlük beslenmenin temelini oluşturur ve tuzluluk nedeniyle verim kaybı gıda güvenliği açısından önemli sonuçlar doğurabilirdi; bu nedenle bunların da uyarlanmasına ilgi duyulmaktadır.
Ancak, savunma proteinleriyle çalışmak gıda güvenliği açısından o kadar da basit değil.Bu proteinlerin çoğu, alerjenik proteinler de içeren ailelere aittir. Bu nedenle, CBGP'nin kendi bünyesinde, bir proteini alerjenik yapan özellikleri titizlikle analiz eden ve yeni varyantların tüketiciler için risk oluşturup oluşturmadığını değerlendiren özel bir alerjen grubu bulunmaktadır.
Amaç Herhangi bir biyoteknolojik çözümün, stres direnci açısından ne kadar umut vaat edici olursa olsun, bunu sağlamak.Güvenlik standartlarını karşılamalı ve yeni gıda alerjilerine yol açmamalıdır. "Yıldız" transgenik bitkilerin yaratılması kadar gösterişli olmasa da, bu gelişmelerin sahaya ve pazara ulaşması için bu kısım kesinlikle çok önemlidir.
Yüksek teknoloji seraları ve dijital fenotipleme
Bu projeleri geliştirmek için CBGP'nin sadece moleküler biyoloji ve genetik laboratuvarları değil, aynı zamanda başka olanakları da bulunmaktadır. Bitkilerin son derece kontrollü koşullar altında yetiştirilmesi için en modern tesisler.Yaklaşık 1.900 m2'lik bir alanları, özel iklimlendirme ve aydınlatma sistemleriyle donatılmış 1.200 m2'lik bir sera da dahil olmak üzere, ürün denemeleri için uygun hale getirilmiştir.
Bu seraların içinde, otomatik dijital fenotipleme altyapısıTamamen iklim kontrollü iki adet P2 tipi modül (transgenik muhafaza seviyesi), 10 ila 45°C aralığında sıcaklığı düzenleyerek soğuk gecelerden yoğun sıcak hava dalgalarına kadar her şeyi simüle edebiliyor. Bu modüllerin içinde, robotik bir sistem bitki büyümesini, su kullanımını, hidrasyon durumunu ve stres belirtilerinin şiddetini otomatik olarak kaydediyor.
Bu yüksek verimli fenotipleme araçları sayesinde araştırmacılar, her bitkinin nasıl tepki verdiğini doğru bir şekilde ölçebiliyorlar. Tuzluluğa, kuraklığa veya aşırı sıcağa karşı hassastır. Sadece görsel olarak solup solmadığını gözlemlemekle kalmaz, aynı zamanda onlarca veya yüzlerce genotipten eş zamanlı olarak sürekli ve karşılaştırılabilir verilere sahip olmak da önemlidir.
Bu tesislerin bir diğer önemli unsuru da şunlardır: rizotronlar, kök sisteminin gözlemlenmesine olanak sağlayan şeffaf plakalara sahip yapılardır. Bitkiyi kökünden sökmeye gerek kalmadan, köklerin kalınlığını, derinliğini ve dallanmasını, ayrıca farklı tuz seviyelerinin veya biyolojik ürünlerin gelişimleri üzerindeki etkisini inceliyorlar.
İlginç bir yönü şudur: Bu platformlara erişim yalnızca CBGP ekipleriyle sınırlı değildir.Ayrıca, geleceğin tarımının başlıca zorluklarını ele almakla ilgilenen diğer kamu ve özel kuruluşların projelerine de açıklar. Bu, işbirliğini teşvik eder ve akademiden üretim sektörüne bilgi aktarımını hızlandırır.
Azot soluyabilen tahıllar: daha az gübre, daha fazla sürdürülebilirlik.
CBGP'de tuzluluğun yanı sıra bir diğer açık cephe de şudur: yoğun tarımda azotlu gübre kullanımının azaltılmasıBu gübreler pirinç, buğday veya mısır gibi tahıllarda yüksek verim elde etmede kilit rol oynasa da, çevresel etkileri çok büyüktür: yeraltı sularının ve nehirlerin kirlenmesi, toprak bozulması ve üretim ve kullanımları sırasında sera gazı emisyonlarına neden olmaktadır.
Araştırmacı Luis Rubio, Gates Vakfı tarafından finanse edilen ve amacı... Havadaki azotu doğrudan kullanabilen tahıllar elde etmekBu, şimdiye kadar sadece bazı bakterilerin nitrojenaz enzimi sayesinde yapabildiği bir şeydi. Bitkiler bu enzime doğal olarak sahip olmadıkları için, toprakta bulunan ve çoğu kimyasal gübrelerden gelen nitrojen kaynaklarına bağımlıdırlar.
Bu çalışmada azot sabitleyici bakteriler kullanılmaktadır. Azotobakter vinelandii (Genellikle toprak mikrobiyotasıyla ilişkilendirilen ve biyoteknoloji alanında bilinen) azot fiksasyonundan sorumlu genlerin tahıllara aktarılması için bir model olarak kullanılmaktadır. Nihai hedef, bu bitkilerin bir anlamda atmosferik azotu "soluyabilmesi" ve büyümeleri için metabolize edebilmesidir.
Bu araştırma hattı başarılı olursa, çok daha sürdürülebilir bir tarımın önünü açacaktır.Bu, kimyasal gübre kullanımını ve karbon ayak izini önemli ölçüde azaltacaktır. Dahası, özellikle bu girdilerin on yıllarca aşırı kullanıldığı bölgelerde, bozulmuş toprakların iyileştirilmesine ve su ekosistemlerinin kirlenmesinin en aza indirilmesine yardımcı olacaktır.
Ancak ekip kendisi de bunu kabul ediyor ki Bu, on yıllarca sürecek bir çalışma gerektirecek son derece iddialı bir hedeftir.Pirinç, buğday veya mısır gibi kendi kendine döllenebilen tahıllar geliştirmek, modern biyoteknolojinin en büyük hedeflerinden biridir, ancak aynı zamanda genetik, bitki fizyolojisi, mikrobiyal ekoloji ve çevresel güvenlik hususlarının entegrasyonunu gerektiren üst düzey bir teknolojik zorluktur.
Şili: anaçlar, antioksidan formülasyonlar ve rizobakteriler
Şili'de çeşitli araştırma grupları, tuzluluk sorununu birbirini tamamlayıcı yaklaşımlarla ele alıyor. En gelişmiş projelerden biri de şu kuruluş tarafından desteklenen projedir: INIA La Cruz Bitki Fizyolojisi ve Moleküler Biyoloji Araştırma GrubuValparaíso bölgesinde, ulusal ve uluslararası üniversitelerle birlikte.
Bir yandan, FONDECYT tarafından başlatılan (1180958) bir proje, şu konulara odaklanmaktadır: Tuzluluğa dayanıklı domates anaçlarının geliştirilmesiBu, kültür domatesi (Solanum lycopersicum) ile tuzlu ortamlara uyum sağlamış yerel bir tür olan yabani domates Solanum chilense arasında yapılan bir melezleme yoluyla elde edilir. Amaç, ticari meyve çeşitlerini değiştirmek değil, bitkinin toprak üstü kısmının aşılandığı "ana gövdeyi" yani kök sistemini iyileştirmektir.
Bu %100 Şili menşeli anaçlar, yüksek tuz konsantrasyonuna sahip topraklarda kabul edilebilir verim ve kaliteli meyve elde edilmesini sağlayacaktır.Piyasada zaten bilinen domateslerin ticari özelliklerini koruyarak, Dr. Juan Pablo Martínez'e göre, elde edilen materyaller tuz stresine karşı ilginç tolerans mekanizmaları gösteriyor ve bu da ekim alanlarının genişletilmesinin önünü açıyor.
Bu çalışma, Şili'deki Austral Üniversitesi ve Belçika'daki Louvain Katolik Üniversitesi'nden gruplarla işbirliği içinde, aşağıdaki amaçlarla yürütülmektedir: bilimsel bilgi alışverişini ve uluslararası işbirliğini teşvik etmekMartínez'in kendi ifadesine göre, bu, uygulamalı tarım biliminin üst düzey araştırmalardan vazgeçmeden bölgenin gerçek sorunlarına nasıl yanıt verebileceğinin açık bir örneğidir.
Buna paralel olarak, INIA La Cruz, Şili Üniversitesi ve Arturo Prat Üniversitesi'nden oluşan bir konsorsiyum tarafından yürütülen “PASSA” (ACT 192073) Bilim ve Teknoloji Araştırma Halkası projesi kapsamında çalışmalar yürütülmektedir. Domateslerin su kıtlığına ve tuzluluğa karşı toleransını artıracak formülasyonlar geliştirmek.Amaç, bu abiyotik streslerden etkilenen bölgelerde su tasarrufu sağlamak ve sürdürülebilir üretimi devam ettirmektir.
Bu formülasyonlardan biri, genel olarak "biyomodülatör" olarak adlandırılır ve şunları birleştirir: Lipoik asit ve bazı karotenoidler gibi güçlü antioksidan kapasitesine sahip doğal bileşikler.Şili Üniversitesi'nde daha önce yapılan denemelerde umut vadeden sonuçlar gösteren diğer kimyasal moleküllerle birlikte, yaprak spreyi olarak uygulandığında, bitki hücrelerinde kuraklık ve tuzluluktan kaynaklanan oksidatif stresi azaltmayı amaçlamaktadır.
Diğer formülasyon ise şuna dayanmaktadır: Atacama Çölü'nde yetişen bitkilerden izole edilen rizobakterilerSon derece kurak ve tuzlu bir ortam. Arturo Prat Üniversitesi'nden yapılan çalışmalar, bu bakterilerin birlikte yaşadıkları bitkilere tuzluluğa karşı direnç kazandırdığını ve böylece çoğu kültür bitkisi için ölümcül olacak koşullarda gelişmelerine olanak sağladığını göstermiştir.
Ayrıca, INIA La Cruz aşağıdakilerle de işbirliği yapmaktadır: Mikroorganizma Bankalarından elde edilen bitki büyüme düzenleyicileri (PGPR'ler).Sera denemelerinde, bu rizobakterilerin tuzluluğa maruz kalan domates bitkilerine uygulanmasının, bitkilerin büyümesini ve canlılığını önemli ölçüde iyileştirdiği gözlemlenmiştir.
Birkaç konsorsiyum test ediliyor: bunlardan biri şu şekilde oluşturuldu: Pseudomonas türleri Kuzeydeki tuzlu ortamlardan köken alan ve Arturo Prat Üniversitesi'nde Profesör Ricardo Tejos'un grubu tarafından seçilen bir tür ile cinsin çeşitli suşlarını içeren bir başka tür. StafilokokAyrıca, bir gerilim de söz konusudur. Bacillus amyloliquefaciensINIA Quilamapu Mikrobiyal Genetik Kaynaklar Bankası tarafından tuzluluğa dayanıklı olarak tanımlanmıştır.
Bacillus bazlı büyüme destekleyicileri, aslında dünyadaki en yaygın biyolojik ürünlerdir. İnsanlar için güvenli olmaları ve kullanılan türe bağlı olarak çok çeşitli zararlıları ve hastalıkları kontrol etmede etkili olmaları nedeniyle, biyolojik mücadele ajanları için küresel pazarın yaklaşık %90'ını temsil ettikleri tahmin edilmektedir.
Şili'de iki çeşit domates üzerinde tarla ve sera denemeleri yapılıyor: Belirsiz bir ticari hibrit çeşit ve Poncho Negro adlı yerel bir çeşit.Arica ve Parinacota bölgesindeki Yuta Vadisi ve Azapa bölgesine özgüdür. Tüm durumlarda, kontrol bitkileri, belirgin stres oluşturmak için daha fazla tuza maruz bırakılan diğer bitkilerle karşılaştırılır ve farklı formülasyonların etkisi analiz edilir.
Dr. Martínez'in de belirttiği gibi, Rizobakteri ve mikroorganizma bazlı biyolojik ürünlerin kullanımı, kimyasal ürünlerin kullanımını bir miktar azaltabilir. Tarımda ise bu durum, daha temiz ve sürdürülebilir üretime doğru bir yönelim gösteriyor. Bu biyolojik ürünler, yenilenebilir biyolojik kaynaklara dayanmaktadır ve genellikle çok düşük çevresel etkiye sahiptir; ancak kullanımlarını optimize etmek için geliştirme ve formülasyon konusunda daha fazla bilgiye ihtiyaç duyulmaktadır.
Bu iş kolu özellikle değerlidir çünkü Çözümler, Şilili çiftçinin gerçekliği göz önünde bulundurularak tasarlanmıştır.Ürün dozları, uygulama süreleri ve kombinasyonları test edilerek, üreticinin çalışma yönteminde köklü değişiklikler yapmasına gerek kalmadan doğrudan günlük uygulamaya aktarılabilir.
Yabani domateslerin genetik hazinesi
Gelişmiş biyoteknoloji veya mikrobiyal biyolojik ürünlerin ötesinde, tuzluluk sorununa çözüm kaynaklarından biri de şudur: kültür domatesinin yabani akrabalarıBoyce Thompson Enstitüsü'ndeki araştırmacılar, küçük kiraz benzeri meyvelere sahip olmasına rağmen muazzam genetik çeşitliliği ve strese karşı büyük direnciyle karakterize edilen, evcil domatesin en yakın yabani akrabası olan Solanum pimpinellifolium'u ayrıntılı olarak incelediler.
Bu çalışma sunulmuştur. Çeşitli tuz stresi seviyelerinde S. pimpinellifolium'un farklı hatlarıHem seralarda hem de tarlalarda, CBGP'de açıklananlara çok benzer yüksek verimli fenotipleme teknikleri kullanıldı. Analiz, bu bitkilerin tuzlulukla başa çıkma biçimlerinde muazzam bir çeşitlilik olduğunu ortaya koydu; neredeyse hiç stres göstermeyen bireylerden, önemli verim kayıpları yaşayanlara kadar.
En dikkat çekici sonuçlardan biri şuydu: Bitkinin genel canlılığı (hızlı ve güçlü büyüme yeteneği), tuz toleransında belirleyici bir faktördü.En güçlü bitkiler strese daha iyi dayanmıştır; bu da, ıslah programlarında güçlülük için yapılan seçimin dolaylı olarak tuzluluk toleransını artırabileceğini düşündürmektedir.
Ayrıca şu gibi özelliklerin de tespit edildiği görüldü: Terleme oranı, toprak üstü sürgünlerin kütlesi ve dokularda iyonların (özellikle sodyum ve potasyum) birikimi Tuz stresi altındaki performansla ilişkiliydiler. İlginç bir şekilde, sera performansını açıklamada terleme kilit rol oynarken, tarla koşullarında verimle en yakından ilişkili faktör bitkinin toprak üstü kütlesiydi.
Belki de en şaşırtıcı şey şuydu ki... Yapraklarda biriken toplam tuz miktarı, sanıldığı kadar verim açısından önemli değildi.Bu bulgu, neredeyse tamamen sodyumun hava dokularına girişini veya birikimini sınırlamaya odaklanan tuz toleransı hakkındaki bazı klasik fikirleri sorguluyor ve diğer adaptasyon mekanizmalarına odaklanan yeni çalışma alanlarının önünü açıyor.
Çalışma, yayınlandı Bitki Dergisitanımlamaya izin verildi Daha önce tuz stresi toleransı ile ilişkilendirilmemiş aday genlerBu spesifik genotipler, kültür domateslerinde ve diğer ilgili ürünlerde tuz toleransı kazandırmak amacıyla yapılan ıslah programlarında alel verici olarak kullanılabilir.
Genel olarak, bu araştırma Bu durum, kültür bitkilerinin yabani akrabalarının adeta bir çözüm bankası olduğu fikrini pekiştiriyor. İklim değişikliği ve yeni çevresel koşullar karşısında, bu materyaller, klasik genetik iyileştirme teknikleri ve modern genomik ve fenotipleme araçlarıyla birleştirildiğinde, daha dayanıklı tarım çeşitlerinin oluşturulmasını hızlandırabilir.
La tüm bu çalışma alanlarının yakınsaması —transgenik tuz toleranslı domatesler, yerel anaçlar, rizobakteri bazlı biyolojik ürünler, atmosferik azotu kullanan tahıllar ve yabani domates çeşitliliğinin yoğun kullanımı— bir yöne işaret ediyor. çok daha dayanıklı bir tarım modeli İklim değişikliği ve toprak bozulması karşısında. Bu yeniliklerin süpermarketlerde veya çiftliklerde büyük ölçekte uygulanmasını görmemiz yıllar alacak olsa da, yol açıkça belirlenmiş durumda: tuz ve kuraklığın galip geldiği yerlerde sulu domates hasadına devam etmek için biyoteknoloji, mikrobiyal ekoloji ve genetik iyileştirmenin entegrasyonu.
