Klimatneizturīgas kultūras: Noturības audzēšana mainīgajā pasaulē

Klimata pārmaiņas rada nepieredzētus izaicinājumus globālajai pārtikas nodrošinājumam. Pieaugošās temperatūras, mainīgie nokrišņu daudzumi un biežāki ekstrēmi laikapstākļu notikumi, piemēram, sausums un karstuma viļņi, būtiski ietekmē kultūraugu ražu un lauksaimniecības produktivitāti visā pasaulē. Reaģējot uz šiem izaicinājumiem, arvien svarīgāka kļūst klimatneizturīgu kultūraugu, īpaši sausumizturīgu un karstumizturīgu kultūraugu, izstrāde un plaša izmantošana. Šajā emuāra ierakstā aplūkota šo kultūraugu nozīme, zinātniskie sasniegumi to izstrādē un globālie centieni nodrošināt ilgtspējīgu pārtikas piegādi nākamajām paaudzēm.

Steidzama nepieciešamība pēc klimatneizturīgām kultūrām

Lauksaimniecība ir ārkārtīgi neaizsargāta pret klimata pārmaiņām. Ūdens trūkums, karstuma stress un mainīgie audzēšanas periodi apdraud tādu pamatkultūru kā kviešu, rīsu, kukurūzas un sojas pupiņu produktivitāti. Šīm neaizsargātībām ir tālejošas sekas, tostarp:

• Samazināta kultūraugu raža: Sausums un karstuma viļņi var būtiski samazināt kultūraugu ražu, izraisot pārtikas trūkumu un cenu svārstības.
• Palielināta pārtikas nenodrošinātība: Klimata pārmaiņas nesamērīgi ietekmē neaizsargātās populācijas, saasinot pārtikas nenodrošinātību reģionos, kas jau cīnās ar malnutrīciju.
• Ekonomiskā ietekme: Ražas neveiksmes var izpostīt lauksaimniecības ekonomiku, ietekmējot iztikas līdzekļus un reģionālo stabilitāti.
• Vides degradācija: Intensīva apūdeņošana atbildes reakcijā uz sausumu var izsmelt ūdens resursus un veicināt zemes degradāciju.

Tāpēc kultūraugu, kas var izturēt šos stresus, izstrāde ir būtiska, lai mazinātu klimata pārmaiņu negatīvo ietekmi uz pārtikas ražošanu.

Sausuma un karstuma tolerances izpratne

Sausuma un karstuma tolerance ir sarežģītas pazīmes, ko regulē vairāki gēni. Augi izmanto dažādus mehānismus, lai izdzīvotu un plauktu šādos stresa apstākļos:

Sausuma tolerances mehānismi:

• Sausuma izvairīšanās: Daži augi pabeidz savu dzīves ciklu pirms smaga sausuma iestāšanās. Šī stratēģija bieži ietver agrīnu ziedēšanu un ātru briedumu.
• Sausuma novēršana: Šie augi samazina ūdens zudumus. Piemēri ietver:
• Dziļas un plašas sakņu sistēmas, lai piekļūtu dziļākiem ūdens avotiem.
• Efektīva ūdens izmantošana, piemēram, stomātu kontrole, lai samazinātu transpirāciju.
• Lapu modifikācijas, piemēram, biezāka kutikula vai samazināta lapu virsmas laukums, lai samazinātu ūdens zudumus.
• Sausuma tolerance (dehidratācijas tolerance): Šie augi var izturēt šūnu dehidratāciju. Mehānismi ietver:
• Osmoprotektantu (piemēram, prolinu, glicīna betaīnu) uzkrāšanos, lai saglabātu šūnu turgoru.
• Aizsargājošu proteīnu (piemēram, karstuma šoka proteīnu) ražošanu, lai stabilizētu šūnu struktūras.

Karstuma tolerances mehānismi:

• Karstuma šoka proteīni (HSPs): Šie proteīni aizsargā šūnu struktūras no karstuma izraisītiem bojājumiem.
• Antioksidantu sistēmas: Karstuma stress var izraisīt reaktīvo skābekļa sugu (ROS) veidošanos, kas bojā šūnas. Antioksidantu enzīmi un savienojumi neitralizē šīs kaitīgās molekulas.
• Membrānas stabilitāte: Membrānas integritātes saglabāšana augstās temperatūrās ir būtiska. Augiem ar stabilākām membrānas lipīdiem ir lielāka karstumizturība.

Selekcijas stratēģijas klimata noturībai

Klimatneizturīgu kultūraugu izstrāde ietver tradicionālo selekcijas metožu un progresīvu tehnoloģiju kombināciju:

Tradicionālā selekcija:

Tā ietver augu izlasi un krustošanu ar vēlamajām pazīmēm vairākās paaudzēs. Galvenie soļi ir:

• Fenotipēšana: Augu novērtēšana attiecībā uz sausuma un karstuma toleranci kontrolētos vai lauka apstākļos. Tas var ietvert tādu pazīmju mērīšanu kā raža stresa apstākļos, ūdens lietošanas efektivitāte un lapu temperatūra.
• Atlase: Augu identifikācija un atlase ar labāku sniegumu stresa apstākļos.
• Krustošana: Atlasīto augu krustošana, lai apvienotu vēlamos īpašumus.
• Atpakaļkrustošana: Pēcnācēju krustošana ar vecāku augu, lai precizētu konkrētus īpašumus.

Modernās selekcijas tehnoloģijas:

Progresīvās tehnoloģijas paātrina klimatneizturīgu kultūraugu izstrādi:

• Uz marķieriem balstīta selekcija (MAS): Šī tehnika izmanto DNS marķierus, kas saistīti ar vēlamajiem gēniem, lai efektīvāk identificētu augus ar šiem gēniem.
• Genomiskā selekcija (GS): GS izmanto genoma datus, lai prognozētu selekcijas līniju veiktspēju. Tas uzlabo atlases precizitāti un efektivitāti.
• Gēnu inženierija (GE): GE ietver augu gēnu tiešu modificēšanu, lai uzlabotu īpašības. Piemēri ietver gēnu pievienošanu sausuma tolerancei vai karstuma tolerancei no citiem organismiem.
• Genoma rediģēšana: Tādas tehnoloģijas kā CRISPR-Cas9 ļauj precīzi modificēt augu gēnus ar lielāku efektivitāti un precizitāti nekā tradicionālā gēnu inženierija.

Klimatneizturīgu kultūraugu piemēri darbībā

Daudzas iniciatīvas visā pasaulē izstrādā un izplata klimatneizturīgas kultūras:

Sausumizturīga kukurūza

Pētnieki un selekcionāri ir guvuši ievērojamu progresu sausumizturīgu kukurūzas šķirņu izstrādē. Piemēram, vairākas sēklu kompānijas piedāvā sausumizturīgus kukurūzas hibrīdus, kas spēj saglabāt pieņemamu ražu pat ūdens stresa apstākļos. Šīs šķirnes ir īpaši svarīgas tādos reģionos kā Subsahāras Āfrika, kur kukurūza ir pamatkultūra, un ūdens trūkums ir nopietna problēma.

Karstumizturīgi rīsi

Rīsi ir svarīgs pārtikas avots miljardiem cilvēku. Karstumizturīgu rīsu šķirņu izstrāde ir būtiska, lai nodrošinātu ražu pieaugošās temperatūrās. Zinātnieki identificē un integrē karstumizturības gēnus rīsu kultūraugos. Piemēram, IRRI (Starptautiskais rīsu pētījumu institūts) un nacionālās lauksaimniecības pētījumu sistēmas strādā pie karstumizturīgiem rīsu paveidiem, kas piemēroti dažādām audzēšanas vidēm, tostarp Dienvidāzijā un Dienvidaustrumāzijā. Šo šķirņu izstrāde un izplatīšana ievērojami palīdz reģionos, kur rīsu audzēšana ir ļoti svarīga.

Sausumizturīgi kvieši

Kvieši ir vēl viens svarīgs graudaugu kultūraugs, kas ir neaizsargāts pret sausumu. Selekcijas programmas koncentrējas uz tādu kviešu šķirņu izstrādi, kas spēj izturēt ūdens trūkumu. Šie centieni ietver kviešu vietējo šķirņu ar izcilām sausumizturības pazīmēm identificēšanu un uz marķieriem balstītas selekcijas izmantošanu, lai paātrinātu selekcijas procesu. Tiek izmantotas šķirnes ar palielinātu sakņu dziļumu un efektīvu ūdens izmantošanu, īpaši tādos reģionos kā Austrālija, Amerikas Savienotās Valstis un Indija, kur kviešu ražošana saskaras ar ievērojamu ūdens stresu.

Citas kultūras

Papildus kukurūzai, rīsiem un kviešiem notiek centieni izstrādāt klimatneizturīgus citu svarīgu kultūraugu paveidus, tostarp:

• Pākšaugi (pupas, lēcas, turku zirņi): Tiek izstrādāti sausumizturīgi pākšaugi, lai uzlabotu pārtikas nodrošinājumu un nodrošinātu slāpekļa fiksācijas avotu ilgtspējīgās lauksaimniecības sistēmās, īpaši reģionos ar sausu klimatu.
• Sorgs un proso: Šīs kultūras ir pēc būtības vairāk sausumizturīgas nekā daudzas citas, un tās tiek vēl vairāk uzlabotas ar selekcijas programmām, nodrošinot svarīgus pārtikas avotus Āfrikas un Āzijas aridos un pusaridos reģionos.
• Dārzeņi un augļi: Selekcijas programmas strādā pie tādu dārzeņu un augļu kā tomāti, pipari un mango noturības uzlabošanas, lai tie izturētu karstuma stresu un mainīgu ūdens pieejamību.

Globālās iniciatīvas un organizācijas

Vairākas starptautiskās organizācijas un iniciatīvas spēlē būtisku lomu klimatneizturīgu kultūraugu izstrādes un izplatīšanas veicināšanā:

• CGIAR (Starptautisko lauksaimniecības pētījumu konsultatīvā grupa): CGIAR centri, piemēram, Starptautiskais kukurūzas un kviešu uzlabošanas centrs (CIMMYT) un Starptautiskais rīsu pētījumu institūts (IRRI), veic pētījumus un selekcijas programmas, kas vērstas uz klimatneizturīgu kultūraugu izstrādi maznodrošinātiem lauksaimniekiem jaunattīstības valstīs.
• Globālais kultūraugu daudzveidības fonds: Šī organizācija atbalsta kultūraugu daudzveidības saglabāšanu un pieejamību, kas ir būtiska klimatneizturīgu kultūraugu selekcijai.
• Nacionālās lauksaimniecības pētījumu sistēmas (NARS): NARS dažādās valstīs aktīvi iesaistās klimatneizturīgu kultūraugu selekcijā un sniedz konsultāciju pakalpojumus lauksaimniekiem.
• Starptautiskās sēklu kompānijas: Daudzas sēklu kompānijas investē klimatneizturīgu kultūraugu izpētē un attīstībā, padarot tās pieejamas lauksaimniekiem visā pasaulē.

Izaicinājumi un nākotnes virzieni

Lai gan ir panākts ievērojams progress, joprojām pastāv vairāki izaicinājumi:

• Īpašību sarežģītība: Sausuma un karstuma tolerance ir sarežģītas pazīmes, ko kontrolē vairāki gēni, padarot selekciju par sarežģītu uzdevumu.
• Vides mijiedarbība: Kultūraugu veiktspēju ietekmē gēnu un vides mijiedarbība, padarot grūti prognozējamu kultūraugu uzvedību konkrētos apstākļos.
• Regulatīvās šķēršļi: Pārāk garš un dārgs ģenētiski modificētu kultūraugu regulatīvās apstiprināšanas process var palēnināt šo kultūraugu pieejamību.
• Ekvitāte un piekļuve: Ir svarīgi nodrošināt, lai klimatneizturīgas kultūras būtu pieejamas mazajiem zemniekiem, īpaši jaunattīstības valstīs, lai panāktu pārtikas nodrošinājumu.

Nākotnes pētījumu un attīstības centieniem vajadzētu koncentrēties uz:

• Progresīvās selekcijas tehnoloģijas: Genomiskās selekcijas, gēnu rediģēšanas un citu progresīvu selekcijas tehnoloģiju izmantošanas paātrināšana, lai paātrinātu selekcijas progresu.
• Augu-vides mijiedarbības izpratne: Mūsu izpratnes uzlabošana par sarežģītajām mijiedarbībām starp augiem un to vidi, lai labāk prognozētu kultūraugu veiktspēju.
• Klimatam piemērotu lauksaimniecības stratēģiju izstrāde: Klimatneizturīgu kultūraugu integrēšana plašākās lauksaimniecības sistēmās, kas veicina ilgtspējīgu zemes apsaimniekošanu, ūdens taupīšanu un integrētu kaitēkļu pārvaldību.
• Lauksaimnieku izglītības un konsultāciju pakalpojumu uzlabošana: Lauksaimnieku nodrošināšana ar zināšanām un resursiem, kas nepieciešami, lai efektīvi ieviestu un izmantotu klimatneizturīgas kultūras.

Praktiski ieskati nākotnei

Lai nodrošinātu klimatneizturīgu kultūraugu panākumus, ir svarīgi veikt vairākas darbības:

• Investēt pētniecībā un attīstībā: Valdībām un privātajām organizācijām jāiegulda pētniecībā un attīstībā, lai izstrādātu un ieviestu klimatneizturīgas kultūras. Tas ietver selekcijas programmu finansēšanu, pamata pētījumu atbalstīšanu un investīcijas infrastruktūrā un tehnoloģijās.
• Veicināt starptautisko sadarbību: Starptautiskā sadarbība ir būtiska, lai dalītos zināšanās, resursos un selekcijas materiālos. Tas ietver sadarbības pētījumu projektu atbalstīšanu, ģermoplazmas apmaiņas veicināšanu un regulatīvo satvaru koordinēšanu.
• Veicināt ilgtspējīgas lauksaimniecības prakses: Klimatneizturīgas kultūras ir visiedarbīgākās, ja tās ir integrētas ilgtspējīgās lauksaimniecības sistēmās, kas veicina augsnes veselību, ūdens taupīšanu un integrētu kaitēkļu pārvaldību.
• Atbalstīt mazos zemniekus: Nodrošināt mazajiem zemniekiem piekļuvi klimatneizturīgām kultūrām, apmācību un finansiālu atbalstu. Tas ietver sēklu un lauksaimniecības izejvielu pieejamības nodrošināšanu un konsultāciju pakalpojumu sniegšanu, lai palīdzētu lauksaimniekiem ieviest labākās prakses.
• Paaugstināt sabiedrības informētību: Izglītot sabiedrību par klimatneizturīgu kultūraugu nozīmi un to lomu pārtikas nodrošinājuma garantēšanā. Tas ietver informētības paaugstināšanu par šo kultūraugu priekšrocībām un maldinošu priekšstatu kliedēšanu.

Secinājums

Klimatneizturīgas kultūras ir būtiskas globālā pārtikas nodrošinājuma garantēšanai klimata pārmaiņu apstākļos. Ieguldot pētniecībā un attīstībā, veicinot starptautisko sadarbību, veicinot ilgtspējīgas lauksaimniecības prakses, atbalstot mazos zemniekus un paaugstinot sabiedrības informētību, mēs varam audzēt noturīgāku un ilgtspējīgāku pārtikas sistēmu nākamajām paaudzēm. Sausumizturīgu un karstumizturīgu kultūraugu izstrāde un plaša izmantošana ir ne tikai lauksaimniecības nepieciešamība; tā ir fundamentāls solis ceļā uz ilgtspējīgākas un taisnīgākas pasaules veidošanu.