ไทย

สำรวจบทบาทสำคัญของพันธุศาสตร์พืชในการพัฒนาพันธุ์พืชที่ต้านทานโรค ปกป้องความมั่นคงทางอาหารโลก และลดผลกระทบจากเชื้อโรคพืช

พันธุศาสตร์พืช: การพัฒนาความต้านทานโรคเพื่อความมั่นคงทางอาหารโลก

โรคพืชก่อให้เกิดภัยคุกคามที่สำคัญต่อความมั่นคงทางอาหารโลก เชื้อโรคต่างๆ เช่น เชื้อรา แบคทีเรีย ไวรัส และไส้เดือนฝอย สามารถทำลายพืชผล นำไปสู่การสูญเสียผลผลิตจำนวนมากและความยากลำบากทางเศรษฐกิจสำหรับเกษตรกรทั่วโลก ด้วยเหตุนี้ การพัฒนาพันธุ์พืชที่ต้านทานโรคจึงเป็นกลยุทธ์ที่สำคัญในการสร้างความมั่นคงและยั่งยืนของแหล่งอาหาร พันธุศาสตร์พืชมีบทบาทสำคัญในความพยายามนี้ โดยให้เครื่องมือและความรู้ในการทำความเข้าใจและควบคุมปฏิสัมพันธ์ระหว่างพืชและเชื้อโรค

ความสำคัญของความต้านทานโรคในพืช

ผลกระทบของโรคพืชต่อการเกษตรโลกนั้นมีมากมาย พิจารณาสิ่งต่อไปนี้:

การพัฒนาพันธุ์พืชที่ต้านทานโรคเป็นทางเลือกที่ยั่งยืนและเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม แทนที่จะพึ่งพาการควบคุมทางเคมีแต่เพียงอย่างเดียว ด้วยการรวมความต้านทานทางพันธุกรรมในพืช เราสามารถลดความจำเป็นในการใช้สารกำจัดศัตรูพืช ลดการสูญเสียผลผลิต และเพิ่มความมั่นคงทางอาหาร

พื้นฐานทางพันธุกรรมของความต้านทานโรคในพืช

พืชมีระบบภูมิคุ้มกันที่ซับซ้อนซึ่งช่วยให้พืชสามารถรับรู้และป้องกันเชื้อโรคได้ ภูมิคุ้มกันนี้ถูกกำหนดทางพันธุกรรมและเกี่ยวข้องกับการทำงานร่วมกันที่ซับซ้อนของยีนและวิถีสัญญาณ มีความต้านทานสองประเภทหลัก:

1. ความต้านทานเชิงคุณภาพ (ความต้านทานยีน R)

ความต้านทานเชิงคุณภาพ หรือที่เรียกว่า ความต้านทานยีน R เกิดจากยีนเด่นเดี่ยว (ยีน R) ที่รับรู้ตัวกระตุ้นเชื้อโรคเฉพาะ (ปัจจัยความรุนแรง) ปฏิกิริยานี้จะกระตุ้นการตอบสนองการป้องกันอย่างรวดเร็วและแข็งแกร่ง ซึ่งมักเกี่ยวข้องกับการตายของเซลล์แบบตั้งโปรแกรม ณ จุดที่มีการติดเชื้อ (การตอบสนองที่ไวเกิน, HR) ความต้านทานยีน R มักมีประสิทธิภาพสูง แต่สามารถเอาชนะได้โดยเชื้อโรคที่พัฒนาตัวแปรตัวกระตุ้นใหม่ ตัวอย่างเช่น มีการพัฒนาพันธุ์ข้าวสาลีหลายชนิดด้วยยีน R ที่ให้ความต้านทานต่อสายพันธุ์เฉพาะของเชื้อราสนิมข้าวสาลี *Puccinia graminis f. sp. tritici* อย่างไรก็ตาม การเกิดขึ้นของสายพันธุ์ใหม่ที่มีความรุนแรง เช่น Ug99 ได้เน้นให้เห็นถึงข้อจำกัดของการพึ่งพายีน R เดี่ยวแต่เพียงอย่างเดียว

2. ความต้านทานเชิงปริมาณ (ความต้านทานบางส่วน)

ความต้านทานเชิงปริมาณ หรือที่เรียกว่า ความต้านทานบางส่วน หรือความต้านทานในแปลง ถูกควบคุมโดยหลายยีน (QTLs – Quantitative Trait Loci) ที่มีส่วนช่วยในการต้านทานในระดับที่ต่ำกว่า ซึ่งแตกต่างจากความต้านทานยีน R ความต้านทานเชิงปริมาณมักจะมีประสิทธิภาพต่อเชื้อโรคที่หลากหลายกว่า และมีความทนทานมากกว่า ซึ่งหมายความว่ามีโอกาสน้อยกว่าที่จะถูกเอาชนะโดยวิวัฒนาการของเชื้อโรค อย่างไรก็ตาม ความต้านทานเชิงปริมาณมักจะระบุและรวมเข้ากับพืชได้ยากกว่า เนื่องจากโครงสร้างทางพันธุกรรมที่ซับซ้อน ตัวอย่างเช่น ความต้านทานต่อโรคไหม้ในข้าวที่ทนทาน ซึ่งควบคุมโดย QTLs หลายตัว ซึ่งให้การป้องกันในวงกว้างและยาวนาน

กลยุทธ์ในการพัฒนาพืชที่ต้านทานโรค

มีการใช้กลยุทธ์หลายประการในการพัฒนาพันธุ์พืชที่ต้านทานโรค ซึ่งแต่ละวิธีมีข้อดีและข้อจำกัดของตนเอง:

1. การปรับปรุงพันธุ์พืชแบบดั้งเดิม

การปรับปรุงพันธุ์พืชแบบดั้งเดิมเกี่ยวข้องกับการคัดเลือกและการผสมพันธุ์พืชที่มีลักษณะที่ต้องการ รวมถึงความต้านทานโรค กระบวนการนี้อาจใช้เวลานานและใช้แรงงานมาก แต่มันประสบความสำเร็จอย่างสูงในการพัฒนาพันธุ์พืชที่ต้านทานโรคหลายชนิด กระบวนการนี้มักเกี่ยวข้องกับ:

ตัวอย่างคือ การพัฒนาพันธุ์มันฝรั่งที่ต้านทานโรคใบไหม้ผ่านการผสมพันธุ์แบบดั้งเดิม โดยใช้ยีนจากสายพันธุ์มันฝรั่งป่าที่แสดงความต้านทานตามธรรมชาติต่อ *Phytophthora infestans*

2. การคัดเลือกโดยใช้เครื่องหมาย (MAS)

การคัดเลือกโดยใช้เครื่องหมาย (MAS) ใช้เครื่องหมายดีเอ็นเอที่เชื่อมโยงกับยีนที่ควบคุมความต้านทานโรค เพื่อคัดเลือกพืชที่ต้านทานในระหว่างการปรับปรุงพันธุ์ วิธีนี้สามารถเร่งกระบวนการปรับปรุงพันธุ์และปรับปรุงประสิทธิภาพของการคัดเลือก โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับลักษณะที่ยากหรือมีค่าใช้จ่ายสูงในการประเมินโดยตรง ขั้นตอนเกี่ยวข้องกับ:

MAS ประสบความสำเร็จในการปรับปรุงพันธุ์ข้าวเพื่อใส่ยีนต้านทานสำหรับโรคใบไหม้แบคทีเรียและโรคไหม้ ทำให้การพัฒนาพันธุ์ที่ต้านทานมีความรวดเร็วขึ้นอย่างมาก ตัวอย่างเช่น ยีน Xa21 สำหรับความต้านทานต่อโรคใบไหม้แบคทีเรียในข้าวสามารถเลือกได้อย่างมีประสิทธิภาพโดยใช้เครื่องหมายดีเอ็นเอที่เชื่อมโยง

3. วิศวกรรมพันธุกรรม (แนวทางทรานส์จีนิก)

วิศวกรรมพันธุกรรมเกี่ยวข้องกับการถ่ายทอดยีนโดยตรงจากสิ่งมีชีวิตหนึ่งไปยังอีกสิ่งมีชีวิตหนึ่ง รวมถึงยีนที่ให้ความต้านทานโรค แนวทางนี้สามารถใช้เพื่อแนะนำยีนต้านทานจากสายพันธุ์ที่ไม่เกี่ยวข้องกัน หรือเพื่อปรับเปลี่ยนยีนพืชที่มีอยู่ เพื่อเพิ่มความต้านทาน ขั้นตอนต่างๆ มีดังนี้:

ฝ้าย Bt ซึ่งแสดงยีนจากแบคทีเรีย *Bacillus thuringiensis* ซึ่งให้ความต้านทานต่อแมลงศัตรูพืชบางชนิด เป็นตัวอย่างที่โดดเด่นของพืชที่ผ่านการดัดแปลงพันธุกรรม ในทำนองเดียวกัน มะละกอที่ได้รับการดัดแปลงพันธุกรรมซึ่งต้านทานไวรัสวงแหวนมะละกอ (PRSV) ได้ช่วยอุตสาหกรรมมะละกอของฮาวาย

4. การแก้ไขยีน (CRISPR-Cas9)

เทคโนโลยีการแก้ไขยีน เช่น CRISPR-Cas9 ช่วยให้สามารถปรับเปลี่ยนยีนพืชได้อย่างแม่นยำและตรงเป้าหมาย สิ่งนี้สามารถใช้เพื่อลบล้างยีนที่ทำให้พืชอ่อนแอต่อโรค เพื่อแนะนำยีนต้านทาน หรือเพื่อเพิ่มกลไกความต้านทานที่มีอยู่ วิธีการประกอบด้วย:

CRISPR-Cas9 ถูกนำมาใช้ในการพัฒนาพันธุ์ข้าวที่ต้านทานโรคใบไหม้แบคทีเรีย โดยการแก้ไขยีน *OsSWEET14* ซึ่งเชื้อโรคใช้เพื่อเข้าถึงสารอาหาร ในทำนองเดียวกัน มันถูกนำมาใช้เพื่อเพิ่มความต้านทานต่อโรคราแป้งในข้าวสาลี

ความท้าทายในการพัฒนาความต้านทานโรคที่ยั่งยืน

ในขณะที่มีความก้าวหน้าอย่างมากในการพัฒนาพืชที่ต้านทานโรค ยังคงมีความท้าทายหลายประการ:

กลยุทธ์ในการเอาชนะความท้าทายและการบรรลุความต้านทานที่ยั่งยืน

เพื่อเอาชนะความท้าทายเหล่านี้และพัฒนาความต้านทานโรคที่ยั่งยืน นักวิจัยและผู้ปรับปรุงพันธุ์กำลังใช้กลยุทธ์ที่หลากหลาย:

1. การซ้อนยีน

การซ้อนยีนเกี่ยวข้องกับการรวมยีนต้านทานหลายตัวไว้ในพันธุ์เดียว สิ่งนี้ทำให้เชื้อโรคเอาชนะความต้านทานได้ยากขึ้น เพราะจะต้องเอาชนะยีนหลายตัวพร้อมกัน การซ้อนยีนสามารถทำได้โดยการผสมพันธุ์แบบดั้งเดิม การคัดเลือกโดยใช้เครื่องหมาย หรือวิศวกรรมพันธุกรรม

2. การกระจายยีนต้านทาน

การนำยีนต้านทานที่หลากหลายไปใช้ในพันธุ์และภูมิภาคต่างๆ สามารถลดแรงกดดันในการคัดเลือกเชื้อโรค และชะลอวิวัฒนาการของความรุนแรง สิ่งนี้สามารถทำได้ผ่านการปลูกพืชหมุนเวียน การผสมพันธุ์หลากหลายชนิด และกลยุทธ์การปรับใช้ในระดับภูมิภาค

3. การทำความเข้าใจชีววิทยาของเชื้อโรค

ความเข้าใจที่ลึกซึ้งยิ่งขึ้นเกี่ยวกับชีววิทยาของเชื้อโรค รวมถึงกลไกการติดเชื้อ ปัจจัยความรุนแรง และกลยุทธ์วิวัฒนาการ มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการพัฒนากลยุทธ์ความต้านทานที่มีประสิทธิภาพและยั่งยืน ความรู้นี้สามารถใช้เพื่อระบุยีนต้านทานใหม่ และออกแบบกลยุทธ์การควบคุมแบบใหม่

4. การรวมความต้านทานเข้ากับการควบคุมอื่นๆ

การรวมความต้านทานทางพันธุกรรมเข้ากับการควบคุมอื่นๆ เช่น แนวปฏิบัติทางการเกษตร การควบคุมทางชีวภาพ และการใช้สารกำจัดศัตรูพืชอย่างชาญฉลาด สามารถให้แนวทางที่แข็งแกร่งและยั่งยืนในการจัดการโรค แนวทางการจัดการศัตรูพืชแบบบูรณาการ (IPM) นี้สามารถลดการพึ่งพามาตรการควบคุมใดๆ เพียงอย่างเดียว และลดความเสี่ยงของการพัฒนาความต้านทาน

5. การใช้เทคโนโลยีใหม่

เทคโนโลยีใหม่ๆ เช่น การจัดลำดับจีโนม การถอดรหัส การศึกษาโปรตีโอมิกส์ และการศึกษาเมตาโบโลมิกส์ กำลังให้ข้อมูลเชิงลึกใหม่เกี่ยวกับการปฏิสัมพันธ์ระหว่างพืชและเชื้อโรค และเร่งการค้นพบยีนต้านทาน เทคโนโลยีเหล่านี้ยังสามารถใช้ในการตรวจสอบประชากรเชื้อโรค และทำนายการเกิดขึ้นของสายพันธุ์ใหม่ที่มีความรุนแรง

ตัวอย่างระดับโลกของการพัฒนาความต้านทานโรคที่ประสบความสำเร็จ

ตัวอย่างที่ประสบความสำเร็จหลายรายการแสดงให้เห็นถึงพลังของพันธุศาสตร์พืชในการพัฒนาพืชที่ต้านทานโรค:

อนาคตของความต้านทานโรคในพืช

อนาคตของความต้านทานโรคในพืชอยู่ที่แนวทางที่หลากหลาย ซึ่งรวมเอาสิ่งที่ดีที่สุดของการปรับปรุงพันธุ์แบบดั้งเดิม เทคโนโลยีชีวภาพสมัยใหม่ และความเข้าใจอย่างลึกซึ้งเกี่ยวกับการปฏิสัมพันธ์ระหว่างพืชและเชื้อโรค สาขาสำคัญที่เน้น ได้แก่:

บทสรุป

การพัฒนาพันธุ์พืชที่ต้านทานโรคมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการสร้างความมั่นคงทางอาหารโลกและบรรเทาผลกระทบของเชื้อโรคพืช พันธุศาสตร์พืชมีบทบาทสำคัญในความพยายามนี้ โดยให้เครื่องมือและความรู้ในการทำความเข้าใจและควบคุมปฏิสัมพันธ์ระหว่างพืชและเชื้อโรค ด้วยการใช้กลยุทธ์ที่หลากหลาย ตั้งแต่การผสมพันธุ์แบบดั้งเดิมไปจนถึงการแก้ไขยีน และโดยการส่งเสริมความร่วมมือระหว่างประเทศ เราสามารถพัฒนาความต้านทานโรคที่ยั่งยืน และปกป้องแหล่งอาหารของเราสำหรับคนรุ่นอนาคต

การลงทุนในการวิจัยและพัฒนาพันธุศาสตร์พืชเป็นขั้นตอนสำคัญในการสร้างระบบอาหารโลกที่ยืดหยุ่นและยั่งยืนมากขึ้น ด้วยการเสริมสร้างศักยภาพให้กับเกษตรกรด้วยพันธุ์พืชที่ต้านทานโรค เราสามารถลดการสูญเสียผลผลิต ลดการใช้สารกำจัดศัตรูพืช และรับประกันแหล่งอาหารที่มั่นคงและมีคุณค่าทางโภชนาการสำหรับทุกคน

พันธุศาสตร์พืช: การพัฒนาความต้านทานโรคเพื่อความมั่นคงทางอาหารโลก | MLOG