“Super-Plantele”. Efectele schimbărilor climatice în agricultură, combătute prin cercetare
Majoritatea culturilor modificate genetic (MG) au fost dezvoltate pentru rezistență la ierbicide, atacul insectelor dăunătoare sau ale diverselor boli cauzate de agenți patogeni (viruși, bacterii, fungi). În ultimul timp, însă, din cauza accelerări încălzirii globale, cercetarea a început să se concentreze mai mult asupra trăsăturilor care oferă plantelor avantaje în fața schimbărilor climatice.
Seceta este cauza principală a pierderii productivității agricole la nivel global și reprezintă o amenințare majoră la adresa siguranței alimentare. În condițiile în care în țara noastră se înregistrează din ce în ce mai frecvent fenomene de secetă și arșiță, este necesară optimizarea sistemelor de irigații pentru valorificarea cât mai eficientă a tuturor resurselor de apă folosite în irigarea culturilor.
Plante modificate genetic rezistente la secetă
Creșterea periodicității și intensității perioadelor de secetă înregistrate în ultimele decenii conduce inevitabil la accelerarea deșertificării și aridizării.
Plantele de cultură reacționează diferit la secetă în funcție de presiunea osmotică din interiorul celulelor și la modul în care fac fotosinteza. Fotosinteza este un proces foarte complex, specific plantelor (inclusiv algelor), prin care se convertește energia luminoasă în energie chimică utilizata ca si baza nutritiva pentru plante.
Plantele expuse secetei accelerează producerea unui număr redus de semințe în detrimentul creșterii biomasei vegetale (adică a frunzelor, principalele organe fotosintetice), iar nivelul și calitatea recoltelor vor fi mult diminuate.
Totuși, gradul de rezistență la secetă diferă și poate fi îmbunătățit prin ameliorări genetice. În timp ce tehnicile tradiționale de ameliorare genetică necesită lungi intervale de timp (10-20 ani), utilizarea biotehnologiei moderne pentru dezvoltarea de plante modificate genetic este mult mai precisă și eficientă.
Câteva exemple de plante MG dezvoltate pentru rezistența la secetă și aprobate pentru cultivare și comercializare în anumite parți ale lumii includ varietăți de porumb, soia și trestie de zahăr (Fig. 1).
- Porumbul Genuity® DroughtGard™ a fost produs de compania Monsanto și este aprobat pentru cultivare din 2010 în state precum SUA, Canada, Australia, Brazilia, Noua Zeelanda, China, Indonezia, Japonia, Nigeria, Filipine, Tailanda, Turcia, Vietnam. Deși în 2015 folosirea acestui produs a fost aprobată și în Uniunea Europeană, acest produs nu a fost niciodată cultivat pe teritoriul UE. Acest porumb conține o genă izolată de la o specie de bacterie (Bacillus subtilis) des întâlnită în sol.
- Strategia DroughtGard se bazează pe principiul hidroeficienței, permițând plantelor să folosească apa mult mai eficient în timpul secetei, conservând umiditatea solului, minimizând astfel riscul de pierdere a productivității.
- În cazul soiei HB4, produsă de compania argentiniană Verdeca, gena care conferă caracterul de toleranță la secetă a fost izolată de la floarea-soarelui. Din 2015, soia HB4 este cultivată în SUA, Canada, Brazilia și Argentina.
În schimb, varietăți de trestie de zahăr NXI, produse de compania indoneziană Perkebunan Nusantara XI, au fost aprobate pentru cultivare și comercializare din 2013 numai în Indonezia, notează dr. Anca Macovei – cercetător BIO/04 Fiziologia Plantelor, Universitatea de Studii din Pavia, Italia – pentru Infoclima.
.
Fig. 1. Varietăți MG de porumb (Genuity® DroughtGard™), soia (Verdeca HB4) și trestie de zahăr (Perkebunan Nusantara XI) rezistente la secetă.
Producerea de ”super-plante”. Proiecte în derulare
Luând în considerare ultimele previziuni IPCC – care asociază schimbările climatice cu creșterea periodicității și intensității fenomenelor extreme – dezvoltarea de plante rezistente numai la secetă nu va fi suficientă pentru a asigura producția agricolă necesară pentru a acoperi cerințele populației în continuă creștere.
Având în vedere acest lucru, centre de cercetare din toata lumea colaborează împreună pentru a dezvolta următoarea generație de plante MG (”super-plante”) combinând trăsături multiple.
Orezul C4 este un exemplu de colaborare internațională pe termen lung, care vizează dezvoltarea de soiuri de orez cu productivitate ridicată și eficiență majoră în utilizarea apei. Orezul, unul dintre principalele produse alimentare de bază din lume, folosește fotosinteza de tip C3, caracterizată de o eficiență mai scăzută.
Cercetătorii din consorțiul C4 încearcă să schimbe tipul de fotosinteză C3 in C4, trăsătură mult mai eficace ce permite ca acest orez să asimileze apa și azotul din sol cu peste 50% mai bine decât plantele “normale” de orez. Aceste modificări se vor reflecta în ulterioare îmbunătăți ale eficienței utilizării azotului și dublarea eficienței utilizării apei.
Conversia unei plante din C3 în C4 implică o rearanjare a structurilor celulare în frunze (Fig. 2) și o exprimare mai eficace a diferitelor enzime legate de procesul fotosintetic. Folosind biologia sintetică, oamenii de știință pot introduce mai multe gene în același timp, obținând plante MG în timp mult mai rapid comparat cu introducerea unei singure gene de fiecare dată.
Fig. 2. Diferențele anatomice dintre frunzele C3 și C4. (A) Orez C3 și (B) Porumb C4. Celula din mezofilul foliar (MC) a orezului este plina cu clorofila, în timp ce celulele învelișului (BSC) au un număr mult mai mic de clorofile (10%). În frunza C4, clorofilele sunt localizate atât în BSC, cât și în MC. (Sursa: Karki et al. 2013)
Dezvoltarea de cereale capabile sa fixeze azotul atmosferic
Un alt exemplu de colaborare la nivel internațional pentru ambițioase proiecte de cercetare în domeniul biotehnologiei se referă la dezvoltarea de cereale capabile sa fixeze azotul atmosferic.
Azotul este un nutriment indispensabil creșterii plantelor. Plante din categoria leguminoaselor (fasole, mazăre, trifoi) stabilesc relații simbiotice cu bacterii fixatoare de azot. Alte tipuri de culturi, precum cerealele, se bazează pe folosirea de îngrășăminte azotate (gunoi de grajd, compost, îngrășăminte chimice).
Peste 3,5 miliarde de oameni depind de folosirea îngrășămintelor chimice pentru producerea culturilor agricole, iar 80% din îngrășămintele chimice azotate sunt fabricate folosind procesul Haber-Borsch, care implică transformarea gazului nitrilic în amoniac. Acest proces consumă multă energie și combustibili fosili, fiind nesustenabil.
În plus, utilizarea unui exces de îngrășăminte chimice are ca rezultat poluarea cu azot. Scurgerea îngrășămintelor poluează râurile și oceanele, provocând daune mediului înconjurător și sănătății umane de până la 157 de miliarde de dolari anual.
O colaborare între prestigioase universități și centre de cercetare (MIT – Institutul Tehnologic din Massachusetts, Institutul Max Planck, Universitatea din Madrid) a propus o abordare biotehnologică, prin aplicarea biologiei sintetice, pentru rezolvarea acestei problematici.
Strategia pe care au dezvoltat-o (Fig. 3) vizează genele specifice bacteriilor fixatoare de azot, numite gene nif. Aceste gene permit bacteriilor sa fixeze azotul din aer, abilitate ce poate fi indusa si plantelor prin introducerea acestor gene în patrimoniul lor genetic. O dată ce aceste gene vor fi transferate și exprimate cu succes în culturile de cereale, îngrășămintele chimice nu vor mai fi necesare deoarece aceste culturi vor fi capabile să fixeze azotul atmosferic.
Fig. 3. Exemplu de proiect de biologie sintetică care vizează generarea de cereale fixatoare de azot. (Sursa: Baltes & Voytas 2015)
Tehnici care să asigure controlul asupra codului genetic
Biologia sintetică își propune să dezvolte noi sisteme biologice, inclusiv plante și celule vegetale, proiectate de cercetători pentru a răspunde exigentelor actuale și viitoare.
Aceste sisteme pot fi utilizate pentru diverse scopuri, de la producerea de compuși cu valoare industrială sau terapeutică, până la reducerea pierderilor recoltelor agricole cauzate de schimbările climatice. Pentru a realiza întregul potențial al biologiei sintetice, sunt necesare tehnici care să asigure controlul asupra codului genetic – permițând modificări specifice ale secvențelor de ADN.
Un astfel de control este acum la îndemâna cercetătorilor datorită progreselor recente în utilizarea tehnicilor de editing al ADN-ului, tehnici care oferă un potențialul enorm pentru producerea noilor ”super-plante” ale viitorului.
Citește și: