Η θερμοκρασία παγκοσμίως αυξάνεται γρήγορα, χωρίς καμία ένδειξη πως θα ακολουθήσει επιβράδυνση. Αυτό θα μπορούσε να είναι καταστροφικό για την παραγωγή καλλιεργειών τροφίμων, ιδίως σε ήδη ζεστές περιοχές.
Μία έρευνα από το Πανεπιστήμιο του Ιλινόις και την Υπηρεσία Γεωργικής Έρευνας του Υπουργείου Γεωργίας των ΗΠΑ δείχνει ότι η παράκαμψη μιας φωτοσυνθετικής δυσλειτουργίας που είναι κοινή σε καλλιέργειες όπως η σόγια, το ρύζι και το σιτάρι, μπορεί να παρέχει θερμική προστασία από θερμικό στρες στο χωράφι.
«Πρέπει να διπλασιάσουμε την παραγωγή καλλιεργειών μέχρι το 2050 για να θρέψουμε έναν αυξανόμενο παγκόσμιο πληθυσμό, και όχι μόνο δεν είμαστε σε καλό δρόμο για να το κάνουμε αυτό, αλλά η κλιματική αλλαγή περιπλέκει περαιτέρω τα πράγματα», δήλωσε η Amanda Cavanagh, λέκτορας στο Πανεπιστήμιο του Essex και συνεργάτης του IGB, που ηγήθηκε αυτού του έργου.
Αυτή η έρευνα είναι μέρος της πραγματοποίησης της αυξημένης φωτοσυνθετικής απόδοσης (RIPE), ένα διεθνές ερευνητικό πρόγραμμα που στοχεύει στην αύξηση της παγκόσμιας παραγωγής τροφίμων με την ανάπτυξη καλλιεργειών τροφίμων που μετατρέπουν την ενέργεια του ήλιου σε τρόφιμα πιο αποτελεσματικά, με την υποστήριξη του Ιδρύματος Bill & Melinda Gates, ίδρυμα για την έρευνα τροφίμων και γεωργίας,και το Γραφείο Εξωτερικών, Κοινοπολιτείας και Ανάπτυξης του Ηνωμένου Βασιλείου.
Η φωτοσύνθεση, η φυσική διαδικασία που χρησιμοποιούν όλα τα φυτά για να μετατρέψουν το φως του ήλιου σε ενέργεια και σοδειές, βασίζεται στο ένζυμο Rubisco που μετατρέπει το διοξείδιο του άνθρακα σε σάκχαρα και με αυτόν τον τρόπο τροφοδοτεί τον κόσμο. Εν τω μεταξύ, η φωτοσύνθεση παράγει μια ατμόσφαιρα πλούσια σε οξυγόνο, περιπλέκοντας τη δουλειά του Rubisco. Περίπου το 20% του χρόνου, το Rubisco αρπάζει οξυγόνο αντί για διοξείδιο του άνθρακα, με αποτέλεσμα μια ενεργειακά δαπανηρή διαδικασία ανακύκλωσης για το εργοστάσιο, που ονομάζεται φωτοαναπνοή. Τα ευρήματα αυτά αναλύθηκαν λεπτομερώς στην προηγούμενη έρευνα της ίδιας ομάδας . Στις τρέχουσες συνθήκες, η αναποτελεσματικότητα της φωτοαναπνοής μπορεί να μειώσει την απόδοση ενός κόκκου όπως το σιτάρι κατά περίπου 36%. Αυτή η απώλεια στην παραγωγή ισοδυναμεί με 148 τρισεκατομμύρια θερμίδες στο σιτάρι και τη σόγια, θερμίδες που θα μπορούσαν να ταΐσουν εκατομμύρια ανθρώπους.
Η Cavanagh δήλωσε: «Γνωρίζουμε ότι καθώς οι θερμοκρασίες αυξάνονται, το Rubisco δυσκολεύει να διακρίνει μεταξύ διοξειδίου του άνθρακα και οξυγόνου, και έτσι αυξάνονται τα ποσοστά φωτοαναπνοής. Εξαιτίας αυτού, σκεφτήκαμε ότι ο χειρισμός της φωτοαναπνοής μπορεί να είναι ένας τρόπος για να βοηθήσουμε τις καλλιέργειες να πάρουν τη θερμότητα και να μετριάσουν τις απώλειες απόδοσης που προκαλούνται από υψηλότερες θερμοκρασίες.”
Από οικονομική άποψη, η απώλεια απόδοσης, σύμφωνα με πληροφορίες, φτάνει το 40-50% στις νότιες Ηνωμένες Πολιτείες, κόστισε στους παραγωγούς περίπου 500 εκατομμύρια δολάρια το 2012. Οι παραγωγοί σε περιοχές γύρω από τον ισημερινό μπορούν να δουν ακόμη περισσότερες απώλειες, λόγω της αυξημένης θερμοκρασίας, με το ζήτημα να αναμένεται να κλιμακωθεί παγκοσμίως λόγω της κλιματικής αλλαγής.
“Χρησιμοποιώντας μια μηχανική προσέγγιση, σχεδιάσαμε πολλαπλές εναλλακτικές μεταβολικές οδούς για τη φωτοαναπνοή. Η δοκιμή τους στον τομέα έδειξε αυξήσεις στην παραγωγικότητα που οδήγησαν την Amanda να προωθήσει σημαντικά το έργο δείχνοντας ότι τα κατασκευασμένα φυτά μας μπορούν να αντέξουν αρκετά ακραίες πιέσεις θερμοκρασίας», δήλωσε ο Paul South (GEGC), συν-συγγραφέας, ερευνητής RIPE και επίκουρος καθηγητής στο Κρατικό Πανεπιστήμιο της Λουιζιάνα. “Καθώς οι κλιματικές αλλαγές και οι πιέσεις της θερμοκρασίας αυξάνουν την πίεση στην παγκόσμια προσφορά τροφίμων, οι αγρότες θα χρειαστούν κάθε διαθέσιμο εργαλείο, συμπεριλαμβανομένων μηχανικών προσεγγίσεων όπως η συνθετική βιολογία που χρησιμοποιείται εδώ για τη διατήρηση ασφαλών και παραγωγικών συγκομιδών”.
Στην πρόσφατη μελέτη τους , που δημοσιεύθηκε στο Περιοδικό Βιοτεχνολογίας Φυτών, οι ερευνητές δοκίμασαν τα φυτά τους με πιο αποτελεσματική φωτοαναπνοή για να δουν αν προσαρμόζονταν καλύτερα σε υψηλότερες θερμοκρασίες. Η ομάδα σε συνεργασία με τον ερευνητή του RIPE Carl Bernacchi, φύτεψε καπνό σε ένα χωράφι με θερμαντήρες που θα κρατούσαν τα φυτά σε θερμοκρασία 5°C υψηλότερη από τη θερμοκρασία περιβάλλοντος. Ο μισός καπνός είχε κατασκευαστεί γενετικά για να έχει μια λιγότερο εντατική διαδικασία φωτοαναπνοής.
Τα αποτελέσματα ήταν αποκαλυπτικά. Τα κατασκευασμένα φυτά παρήγαγαν 26% περισσότερη βιομάζα από τα φυτά άγριου τύπου που εκτέθηκαν στις ίδιες θερμοκρασίες. Τα κατασκευασμένα φυτά είχαν επίσης 15% λιγότερη απώλεια απόδοσης κάτω από τις υψηλότερες θερμοκρασίες από τα μη κατασκευασμένα φυτά. Αυτό έδωσε στους ερευνητές πληροφορίες για το πώς να βελτιώσουν τις αποδόσεις των καλλιεργειών τροφίμων στο μεταβαλλόμενο κλίμα.
Ο καπνός επιλέχθηκε ως η αρχική καλλιέργεια δοκιμής επειδή είναι σχετικά εύκολο να εργαστεί κάποιος πειραματικά σε αυτόν, με τα αποτελέσματα να μπορούν να φανούν πολύ πιο γρήγορα. Με τον καπνό, οι ερευνητές μπορούν να περάσουν από τον γενετικό μετασχηματισμό στην ολοκλήρωση των δοκιμών στο χωράφι μέσα σε 12 μήνες, σε σύγκριση με τα 3-5 χρόνια που απαιτούνται για πολλές καλλιέργειες τροφίμων. Τώρα που η ιδέα έχει τεκμηριωθεί στον καπνό, διεξάγεται έρευνα για να ληφθεί η ίδια γενετική που χρησιμοποιείται στα φυτά δοκιμής καπνού και να τεθεί σε καλλιέργειες τροφίμων όπως οι πατάτες και η σόγια, επιτρέποντας την αύξηση της παραγωγής τροφίμων, παρά τις συνεχώς αυξανόμενες θερμοκρασίες σε όλο τον κόσμο.
“Ως επιστήμονας φυτών, η παραγωγή αρκετών τροφίμων για να τροφοδοτήσει τον προβλεπόμενο πληθυσμό των εννέα δισεκατομμυρίων στα μέσα του αιώνα με το ρυθμό των συνεχών αυξήσεων στο ατμοσφαιρικό διοξείδιο του άνθρακα είναι η καθοριστική πρόκληση της καριέρας μας”, δήλωσε η Cavanagh. “Δεν υπάρχει μεγαλύτερο κίνητρο για να κάνετε το καλύτερο στη δουλειά σας, οπότε παρέχετε λύσεις για να προσαρμοστείτε σε έναν κόσμο που ξεπερνά την ικανότητα ενός φυτού να προσαρμοστεί σε αυτόν”.
Πηγή: Carl R. Woese Institute for Genomic Biology
