Die Landwirtschaft steht vor einer der größten Herausforderungen ihrer Geschichte.Um genügend Nahrungsmittel für eine Bevölkerung zu produzieren, die in nur wenigen Jahrzehnten fast 9.700 Milliarden Menschen erreichen wird – auf einem wärmeren, trockeneren Planeten mit zunehmend extremen Wetterereignissen. In diesem Zusammenhang … Salzresistente Tomaten Sie hören auf, eine wissenschaftliche Kuriosität zu sein, und werden in vielen landwirtschaftlichen Gebieten der Welt zu einer echten Notwendigkeit.
Zur gleichen Zeit Pflanzenbiotechnologie, klassische genetische Verbesserung und die Nutzung nützlicher Mikroorganismen Sie entwickeln verschiedene Lösungen, um den rentablen Anbau wichtiger Nutzpflanzen wie Tomaten, Getreide und Kreuzblütler auch auf Böden mit hohem Salzgehalt und geringer Wasserstress zu gewährleisten. Labore in Spanien, Chile und internationalen Zentren arbeiten bereits mit Wildtomaten, Unterlagen, Rhizobakterien und Abwehrproteinen, um die Pflanzen vor diesen abiotischen Stressfaktoren zu schützen.
Warum der Salzgehalt zu einem dringenden Problem geworden ist
Der Anstieg der globalen Temperatur, die Zunahme von Dürren und die fortgesetzte Verwendung von Bewässerungswasser mit hohem Salzgehalt. Sie verursachen einen starken Anstieg des Salzgehalts vieler landwirtschaftlicher Böden. Dieses Phänomen ist in ariden und semiariden Regionen wie Zentral- und Nordchile besonders deutlich zu beobachten, betrifft aber auch mediterrane Gebiete in Spanien und andere Teile der Welt, in denen Wasser zunehmend knapper und von schlechterer Qualität ist.
Die Versalzung des Bodens ist einer der schädlichsten abiotischen Stressfaktoren für die landwirtschaftliche Produktivität.Bei Nutzpflanzen wie Tomaten werden durch erhöhte Salzkonzentrationen wichtige Prozesse gestört: Keimung, Triebkraft, vegetatives Wachstum, Blüte und Fruchtbildung. Dies führt zu geringeren Erträgen pro Hektar und einer verminderten Handelsqualität der Tomaten.
In Chile beispielsweise wird die Zahl auf etwa 1.500 Hektar sind von gravierenden Versalzungsproblemen und hohen Karbonatgehalten betroffen.insbesondere in ariden Klimazonen, wo die Bewässerung mit Salzwasser und entsprechenden Anwendungen erfolgt. schlecht angepasste DüngemittelDas Lluta-Tal ist ein paradigmatischer Fall: Dort wurden in Tomatenplantagen elektrische Leitfähigkeiten von bis zu 11,5 dS/m gemessen, Werte, die jedes Handbuch für eine Gartenbaukultur als extrem einstufen würde.
Die Auswirkungen von Salz auf Pflanzen gehen über das "Verbrennen" von Wurzeln oder Blättern hinaus.Überschüssiges Natrium und andere Ionen stören den Wasserhaushalt und verursachen osmotischen Stress, führen aber auch zu starkem oxidativem Stress in den Pflanzenzellen. Die Pflanze reagiert darauf mit der Aktivierung von Abwehrmechanismen, der Anpassung der Transpiration, der Modifizierung des Wurzelwachstums und der Umstrukturierung ihrer Ionenreserven, beispielsweise von Natrium und Kalium.
Angesichts dieser Situation Die Suche nach Tomatensorten, die in salzhaltigen Böden gut gedeihen, ist keine Laune des Labors.sondern vielmehr die Verpflichtung, weiterhin Flächen zu bewirtschaften, die derzeit an ihre Grenzen stoßen oder für eine intensive Produktion gänzlich ausgeschlossen sind.
Forschung in Spanien: Resistenzproteine und transgene Tomaten
In Spanien ist eine der führenden Organisationen auf diesem Gebiet die Zentrum für Pflanzenbiotechnologie und Genomik (CBGP)dort ein großes Team von Forschern untersucht, wie Pflanzen wachsen, wie sie mit Mikroorganismen interagieren und wie sie sich an den Klimawandel und widrige Umweltbedingungen anpassen.
Ziel des CBGP ist die Entwicklung biotechnologischer Lösungen zur Bewältigung von Problemen mit erheblichen sozialen Auswirkungen.: die Auswirkungen des Klimawandels auf die Landwirtschaft zu verringern, Nutzpflanzen mit höherem Nährwert zu erzeugen, die für Nahrungsmittel und Energie verfügbare Biomasse zu erhöhen und natürlich Pflanzen zu erhalten, die toleranter gegenüber Dürre, Salzgehalt und Hitzewellen sind.
Ihre Labore erforschen, wie Pflanzen wahrnehmen und damit umgehen. Temperaturanstiege, lange Dürreperioden und Böden mit hohem SalzgehaltDarauf aufbauend werden die molekularen Mechanismen und Abwehrproteine identifiziert, die es bestimmten Pflanzen ermöglichen, diesen Umweltbelastungen besser zu widerstehen. Sobald diese identifiziert sind, führen Wissenschaftler Machbarkeitsstudien durch, in denen sie transgene Pflanzen erzeugen, die diese Proteine anreichern oder diese Mechanismen verstärkt aktivieren.
Das bisher auffälligste Ergebnis ist die Entwicklung von Tomatenpflanzen, die gegen Salzgehalt resistent sind.Diese Versuchspflanzen, für die bereits ein europäisches Patent angemeldet wurde, überleben nicht nur in salzhaltiger Umgebung, sondern erzielen auch akzeptable Erträge und eine gute vegetative Entwicklung, wo andere Tomaten versagen würden.
Die CBGP-Forscher sind überzeugt, dass Die gleiche Technologie kann auch auf andere Nutzpflanzen angewendet werden, die empfindlicher auf Salz reagieren als Tomaten.Dazu gehören beispielsweise Erbsen, Bohnen, Mais, Erdbeeren oder Kohlgemüse (Kohl, Brokkoli usw.). Letzteres ist ein Grundnahrungsmittel, und Ernteausfälle aufgrund von Versalzung hätten erhebliche Folgen für die Ernährungssicherheit gehabt. Daher besteht auch das Interesse, diese Gemüsesorten anzupassen.
Die Arbeit mit Abwehrproteinen ist jedoch aus lebensmittelsicherheitstechnischer Sicht nicht so einfach.Viele dieser Proteine gehören zu Familien, die auch allergene Proteine enthalten. Daher gibt es innerhalb des CBGP selbst eine spezialisierte Allergengruppe, die die allergenen Eigenschaften eines Proteins sorgfältig analysiert und bewertet, ob neue Varianten ein Risiko für Verbraucher darstellen.
Das Ziel ist, um sicherzustellen, dass jede biotechnologische Lösung, so vielversprechend sie auch im Hinblick auf die Stressresistenz sein mag,Es muss Sicherheitsstandards erfüllen und darf keine neuen Lebensmittelallergien auslösen. Dieser Aspekt, der weniger spektakulär ist als die Entwicklung von transgenen „Starpflanzen“, ist absolut entscheidend dafür, dass diese Fortschritte in der Praxis und auf dem Markt Anwendung finden.
Hightech-Gewächshäuser und digitale Phänotypisierung
Zur Entwicklung dieser Projekte verfügt das CBGP nicht nur über Labore für Molekularbiologie und Genetik, sondern auch hochmoderne Anlagen für den Pflanzenanbau unter streng kontrollierten BedingungenSie verfügen über rund 1.900 m² für Pflanzenversuche umgerüstete Fläche, darunter ein 1.200 m² großes Gewächshaus, das mit speziellen Klimatisierungs- und Beleuchtungssystemen ausgestattet ist.
Im Inneren dieser Gewächshäuser, automatisierte digitale PhänotypisierungsinfrastrukturZwei vollständig klimakontrollierte Module des Typs P2 (Transgen-Sicherheitsstufe) können die Temperatur im Bereich von 10 bis 45 °C regulieren und so alles von kalten Nächten bis hin zu intensiven Hitzewellen simulieren. In diesen Modulen erfasst ein Robotersystem automatisch Pflanzenwachstum, Wasserverbrauch, Hydratationsstatus und die Schwere von Stresssymptomen.
Dank dieser Hochdurchsatz-Phänotypisierungswerkzeuge können Forscher genau messen, wie jede einzelne Pflanze reagiert. auf Salzgehalt, Trockenheit oder extreme Hitze. Es geht nicht nur darum, visuell zu beobachten, ob die Pflanze welkt oder nicht, sondern darum, kontinuierliche und vergleichbare Daten von Dutzenden oder Hunderten von Genotypen gleichzeitig zu erhalten.
Ein weiteres Schlüsselelement dieser Einrichtungen sind die Rhizotrone sind Strukturen mit transparenten Platten, die die Beobachtung des Wurzelsystems ermöglichen. ohne die Pflanze ausgraben zu müssen. Sie untersuchen die Dicke, Tiefe und Verzweigung der Wurzeln sowie die Auswirkungen unterschiedlicher Salzkonzentrationen oder biologischer Produkte auf deren Entwicklung.
Ein interessanter Aspekt ist das Der Zugriff auf diese Plattformen ist nicht ausschließlich auf CBGP-Teams beschränkt.Sie sind auch offen für Projekte anderer öffentlicher und privater Organisationen, die an der Bewältigung der zentralen Herausforderungen der Landwirtschaft der Zukunft interessiert sind. Dies fördert die Zusammenarbeit und beschleunigt den Wissenstransfer von der Wissenschaft in die Praxis.
Getreide, das Stickstoff „atmet“: weniger Dünger, mehr Nachhaltigkeit
Neben dem Salzgehalt ist eine weitere offene Front im CBGP die Reduzierung des Stickstoffdüngemitteleinsatzes in der intensiven LandwirtschaftObwohl diese Düngemittel maßgeblich zur Erzielung hoher Erträge bei Getreidearten wie Reis, Weizen oder Mais beigetragen haben, sind ihre Auswirkungen auf die Umwelt enorm: Verschmutzung von Grundwasser und Flüssen, Bodendegradation und Treibhausgasemissionen während ihrer Herstellung und Verwendung.
Der Forscher Luis Rubio leitet ein von der Gates-Stiftung finanziertes Projekt, das folgendes Ziel verfolgt: um Getreidesorten zu erhalten, die Stickstoff direkt aus der Luft aufnehmen könnenDies war bisher nur einigen Bakterien dank des Enzyms Nitrogenase möglich. Pflanzen besitzen dieses Enzym nicht von Natur aus und sind daher auf Stickstoffquellen im Boden angewiesen, die häufig aus chemischen Düngemitteln stammen.
In dieser Arbeit werden stickstofffixierende Bakterien verwendet als Azotobacter vinelandii (oft mit Bodenmikroorganismen in Verbindung gebracht und in der Biotechnologie bekannt) dient als Modell für die Übertragung der für die Stickstofffixierung verantwortlichen Gene auf Getreide. Das Ziel ist, dass diese Nutzpflanzen gewissermaßen atmosphärischen Stickstoff „atmen“ und ihn für ihr Wachstum verstoffwechseln können.
Wenn diese Forschungsrichtung Erfolg hat, würde dies den Weg zu einer wesentlich nachhaltigeren Landwirtschaft ebnen.Dies würde den Einsatz chemischer Düngemittel und deren CO₂-Fußabdruck drastisch reduzieren. Darüber hinaus würde es zur Sanierung degradierter Böden beitragen und die Verschmutzung aquatischer Ökosysteme minimieren, insbesondere in Regionen, in denen diese Mittel jahrzehntelang übermäßig eingesetzt wurden.
Das Team selbst räumt jedoch ein, dass Dies ist ein äußerst ehrgeiziges Ziel, das jahrzehntelange Arbeit erfordern wird.Die Entwicklung selbstbefruchtender Getreidearten wie Reis, Weizen oder Mais ist eines der großen Ziele der modernen Biotechnologie, aber auch eine technologische Herausforderung auf höchstem Niveau, die die Integration von Genetik, Pflanzenphysiologie, mikrobieller Ökologie und Umweltsicherheitsaspekten erfordert.
Chile: Unterlagen, Antioxidantienformulierungen und Rhizobakterien
In Chile widmen sich mehrere Forschungsgruppen dem Problem der Versalzung mit komplementären Ansätzen. Eines der fortschrittlichsten Projekte wird von [Name der Organisation/Institution] gefördert. Forschungsgruppe für Pflanzenphysiologie und Molekularbiologie des INIA La Cruz, in der Region Valparaíso, zusammen mit nationalen und internationalen Universitäten.
Zum einen wurde ein FONDECYT-Projekt (1180958) ins Leben gerufen, das sich auf Folgendes konzentriert: die Entwicklung salztoleranter TomatenunterlagenDies wird durch eine Kreuzung zwischen Kulturtomaten (Solanum lycopersicum) und der Wildtomate Solanum chilense, einer an salzhaltige Standorte angepassten, einheimischen Art, erreicht. Ziel ist es nicht, die kommerziellen Fruchtsorten zu verändern, sondern vielmehr die Unterlage zu verbessern, auf die der oberirdische Teil der Pflanze veredelt wird.
Diese 100% chilenischen Unterlagen ermöglichen akzeptable Erträge und qualitativ hochwertige Früchte auch auf Böden mit hohem Salzgehalt.Die kommerziellen Eigenschaften der bereits auf dem Markt erhältlichen Tomaten bleiben erhalten. Laut Dr. Juan Pablo Martínez weisen die so gewonnenen Pflanzen interessante Toleranzmechanismen gegenüber Salzstress auf, was die Möglichkeit eröffnet, die Anbauflächen zu erweitern.
Diese Arbeit wird in Zusammenarbeit mit Gruppen der Australischen Universität von Chile und der Katholischen Universität Löwen (Belgien) durchgeführt, mit dem Ziel, zur Förderung des wissenschaftlichen Austauschs und der internationalen ZusammenarbeitLaut Martínez selbst ist dies ein klares Beispiel dafür, wie die angewandte Agronomie auf die realen Probleme des Gebiets reagieren kann, ohne dabei auf Spitzenforschung zu verzichten.
Parallel dazu ist im Rahmen des Forschungsrings für Wissenschaft und Technologie „PASSA“ (ACT 192073) ein Konsortium aus INIA La Cruz, der Universität von Chile und der Arturo-Prat-Universität tätig. Entwicklung von Rezepturen zur Erhöhung der Toleranz von Tomaten gegenüber Wassermangel und SalzgehaltZiel ist es, Wasser zu sparen und eine rentable Produktion in Gebieten aufrechtzuerhalten, die von diesen abiotischen Stressfaktoren betroffen sind.
Eine dieser Formulierungen, allgemein als „Biomodulator“ bezeichnet, kombiniert natürliche Verbindungen mit starker antioxidativer Wirkung, wie Liponsäure und bestimmte CarotinoideZusammen mit anderen chemischen Molekülen, die in früheren Versuchen an der Universität von Chile bereits vielversprechende Ergebnisse gezeigt hatten, soll es als Blattspray den durch Trockenheit und Salzgehalt verursachten oxidativen Stress in Pflanzenzellen mindern.
Die andere Formulierung basiert auf Rhizobakterien, isoliert aus Pflanzen, die in der Atacama-Wüste wachsenEine extrem trockene und salzhaltige Umgebung. Studien der Arturo-Prat-Universität haben gezeigt, dass diese Bakterien den Pflanzen, mit denen sie in Symbiose leben, Salzresistenz verleihen und ihnen so das Gedeihen unter Bedingungen ermöglichen, die für die meisten Kulturpflanzen tödlich wären.
Darüber hinaus arbeitet INIA La Cruz mit Pflanzenwachstumsförderer (PGPR), die aus ihrer Mikroorganismenbank stammenIn Gewächshausversuchen wurde beobachtet, dass die Anwendung dieser Rhizobakterien auf Tomatenpflanzen, die Salzstress ausgesetzt waren, deren Wachstum und Vitalität deutlich verbessert.
Mehrere Konsortien werden getestet: eines davon wurde gebildet von Stämme von Pseudomonas eine aus salzhaltigen Umgebungen im Norden stammende Art, die von der Arbeitsgruppe von Professor Ricardo Tejos an der Arturo Prat Universität ausgewählt wurde, und eine weitere mit verschiedenen Stämmen der Gattung StaphylococcusDarüber hinaus besteht eine Belastung durch Bacillus amyloliquefaciens, die von der Microbial Genetic Resources Bank des INIA Quilamapu als salztolerant identifiziert wurde.
Bacillus-basierte Wachstumsförderer sind tatsächlich die am weitesten verbreiteten Bioprodukte weltweit. Aufgrund ihrer Unbedenklichkeit für den Menschen und ihrer Wirksamkeit bei der Bekämpfung einer breiten Palette von Schädlingen und Krankheiten, je nach verwendetem Stamm, machen sie schätzungsweise rund 90 % des globalen Marktes für biologische Bekämpfungsmittel aus.
In Chile werden Feld- und Gewächshausversuche mit zwei Tomatensorten durchgeführt: eine unbestimmte kommerzielle Hybridsorte und eine lokale Sorte namens Poncho NegroTypisch für das Yuta-Tal und das Gebiet um Azapa in der Region Arica und Parinacota. In allen Fällen werden Kontrollpflanzen mit solchen verglichen, die einem höheren Salzgehalt ausgesetzt waren, um deutlichen Stress zu erzeugen, und die Wirkung der verschiedenen Formulierungen wird analysiert.
Wie Dr. Martínez hervorhebt, Durch den Einsatz von Rhizobakterien und auf Mikroorganismen basierenden Bioprodukten kann der Einsatz chemischer Produkte reduziert werden. In der Landwirtschaft geht der Trend hin zu einer saubereren und nachhaltigeren Produktion. Diese Bioprodukte basieren auf nachwachsenden Rohstoffen und haben im Allgemeinen eine sehr geringe Umweltbelastung, obwohl noch viele weitere Informationen zu Entwicklung und Formulierung benötigt werden, um ihren Einsatz zu optimieren.
Diese Art von Arbeit ist besonders wertvoll, weil Die Lösungen wurden unter Berücksichtigung der Realität des chilenischen Landwirts entwickelt.Es werden Dosierungen, Anwendungszeiten und Produktkombinationen getestet, die dann direkt in die tägliche Praxis übertragen werden können, ohne dass der Hersteller drastische Änderungen an seiner Arbeitsweise vornehmen muss.
Der genetische Schatz der Wildtomaten
Neben fortschrittlicher Biotechnologie oder mikrobiellen Bioprodukten liegt eine Lösungsmöglichkeit für die Versalzung in die wilden Verwandten der KulturtomateForscher des Boyce Thompson Institute haben Solanum pimpinellifolium, den nächsten wilden Verwandten der Kulturtomate, detailliert untersucht. Charakteristisch für diese Art sind kleine, kirschähnliche Früchte, aber eine enorme genetische Vielfalt und eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen Stress.
Diese Arbeit präsentiert verschiedene Linien von S. pimpinellifolium bei unterschiedlichen SalzstressniveausSowohl in Gewächshäusern als auch im Freiland wurden Hochdurchsatz-Phänotypisierungstechniken eingesetzt, die den im CBGP beschriebenen sehr ähnlich sind. Die Analyse zeigte eine enorme Variation in der Salztoleranz der Pflanzen, von Individuen, die praktisch keinen Stress aufwiesen, bis hin zu solchen, die erhebliche Ertragsverluste erlitten.
Eines der auffälligsten Ergebnisse war, dass Die allgemeine Vitalität der Pflanze (ihre Fähigkeit, schnell und kräftig zu wachsen) war ein entscheidender Faktor für ihre Salztoleranz.Die kräftigsten Pflanzen widerstanden dem Stress besser, was darauf hindeutet, dass die Selektion auf Wuchskraft indirekt die Salztoleranz in Zuchtprogrammen verbessern könnte.
Es wurde außerdem festgestellt, dass Merkmale wie die Transpirationsrate, die Masse der oberirdischen Triebe und die Ansammlung von Ionen (insbesondere Natrium und Kalium) im Gewebe Sie korrelierten mit der Leistung unter Salzstress. Interessanterweise war die Transpiration zwar entscheidend für die Erklärung der Leistung im Gewächshaus, unter Freilandbedingungen war jedoch die oberirdische Pflanzenmasse der Faktor, der am engsten mit dem Ertrag zusammenhing.
Das Überraschendste war vielleicht die Erkenntnis, dass Die Gesamtmenge des in den Blättern angesammelten Salzes war für den Ertrag nicht so entscheidend, wie angenommen worden war.Diese Erkenntnis stellt einige klassische Vorstellungen über Salztoleranz in Frage, die sich fast ausschließlich auf die Begrenzung des Eindringens oder der Ansammlung von Natrium in Luftgewebe konzentrierten, und eröffnet neue Forschungsrichtungen, die sich auf andere Anpassungsmechanismen konzentrieren.
Die Studie, veröffentlicht in Das Pflanzenblatt, erlaubt zu identifizieren Kandidatengene, die zuvor nicht mit Salzstresstoleranz in Verbindung gebracht wurdenDiese spezifischen Genotypen können als Allelspender in Zuchtprogrammen verwendet werden, um Salztoleranz in kultivierten Tomaten und anderen verwandten Nutzpflanzen einzuführen.
Insgesamt hat diese Forschung Es bestärkt die Vorstellung, dass die wilden Verwandten der Kulturpflanzen eine wahre Fundgrube an Lösungen darstellen. Angesichts des Klimawandels und neuer Umweltbedingungen können diese Materialien in Kombination mit klassischen Methoden der genetischen Verbesserung und modernen Genomik- und Phänotypisierungsmethoden die Entwicklung widerstandsfähigerer landwirtschaftlicher Sorten beschleunigen.
La Zusammenführung all dieser Arbeitsbereiche —transgene, salztolerante Tomaten, lokale Unterlagen, auf Rhizobakterien basierende Bioprodukte, Getreidearten, die atmosphärischen Stickstoff nutzen, und die intensive Nutzung der Wildtomatenvielfalt — deuten auf eine ein deutlich widerstandsfähigeres Landwirtschaftsmodell Angesichts des Klimawandels und der Bodendegradation. Auch wenn es noch Jahre dauern wird, bis wir einige dieser Innovationen in großem Umfang in Supermärkten oder auf landwirtschaftlichen Betrieben sehen, ist der Weg klar vorgezeichnet: die Integration von Biotechnologie, mikrobieller Ökologie und genetischer Verbesserung, um auch weiterhin saftige Tomaten dort ernten zu können, wo Salz und Dürre scheinbar gesiegt haben.
