الزراعة
مستقبل المحاصيل: هل يمكن للتحرير الجيني التعامل مع أمن الغذاء؟
زراعة أفضل مطلوبة
نظرًا لمواجهة حضارتنا لتقاطع السكان المتزايدين وعدم استقرار المناخ ، فإن вопрос أمن الغذاء يعود إلى طليعة القضايا المهمة التي يجب التعامل معها. بالإضافة إلى ذلك ، هناك مخاطر أخرى تُضاف إلى القائمة ، مما يجعل القضية أكثر حساسية ، مثل التلف المستمر للتنوع البيولوجي و انقراض الأنواع ، و التلوث ، و تآكل التربة الخصبة ، و تحويل الأراضي الصالحة للزراعة إلى مدن ، وغيرها.
نتيجة لذلك ، يتراكم الضغط الكبير على علماء الزراعة وعلماء النبات لتوفير حلول من شأنها أن تُدار بشكل مثالي لتقديم احتجاز الكربون ، وزيادة إنتاج الغذاء ، وتقليل التأثير على الأراضي الصالحة للزراعة.
“إذا لم نحصل على هذا بشكل صحيح ، فأنا لا أعتقد أن أي شيء آخر يهم حقًا”
وزير الخارجية الأمريكي أنتوني بلينكن في حدث حلول عالمية لأمن الغذاء في نيويورك في سبتمبر 2023
أحد الأدوات الواعدة هو الهندسة الجينية ، ولكنها تتمتع bằng焦点 مختلف عن تحرير المحاصيل السابق. في حين كان التركيز السابق على دفع الإنتاجية إلى أعلى مستوى على أي ثمن وبالتزامن مع مدخلات كيميائية ثقيلة ، يمكن أن تجمع الأساليب الأكثر تطورًا بين إنتاج أعلى مع نتائج أكثر استدامة.
هذا هو الحجة التي طورها ستيفن لونغ ، أستاذ علوم المحاصيل وعلم الأحياء النباتية في جامعة إلينوي في أوربانا-شامبين ، في منشور 1 بعنوان “احتياجات وفرص مستقبل المحاصيل واستخدام أنظمة المحاصيل لتخفيف التغيير الجوي“.
كوكب متغير
صورة مظلمة؟
قبل مناقشة كيفية التكيف ، نحتاج إلى فهم ما يتغير ، والصورة معقدة للغاية. من المتوقع أن يغير الاحترار العالمي ليس فقط الظروف المتوسطة ، مما يجعل بعض المناطق أكثر خصوبة وبعضها أقل ، ولكن أيضًا زيادة وتيرة وشدة الأحداث المتطرفة.
تشمل هذه درجات الحرارة المتطرفة والجفاف والفيضانات ومستويات الأوزون السطحية ، والتي يمكن أن تؤثر بشكل كبير على محصول المحاصيل ، أكثر من تغيير الظروف المتوسطة بشكل عام ، والتي يمكن أن تكون كافية لتحويل أساليب الزراعة.
بلغت تركيزات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي 427 جزءًا في المليون في عام 2024 ومن المتوقع أن تصل إلى حوالي 600 جزء في المليون بحلول عام 2050-2060. في مثل هذا السيناريو ، يمكن أن ترتفع درجة الحرارة العالمية المتوسطة أخرى 1.2 درجة مئوية بحلول عام 2050-2060 ، تصل إلى 2.7 درجة مئوية فوق درجات الحرارة قبل الصناعية.
فيما يتعلق بالغذاء ، ستحتاج العالم إلى 35-56% أكثر من الغذاء بحلول عام 2050 ، بسبب زيادة الاستهلاك للفرد وزيادة السكان وزيادة هدر الإنتاج الغذائي مع انتقال المزيد من الناس إلى المدن.
عند الجمع بين ذلك مع خسائر المحاصيل المتوقعة من الأحداث المتطرفة وتغيير المناخ ، يترجم ذلك تقريبًا إلى الحاجة إلى ضعف الإنتاج الغذائي العالمي بحلول عام 2050.
ليس كل الأخبار سيئة
然而 ، للكربون المتزايد وراء تغير المناخ تأثير إيجابي: يُحفز نمو النبات. في الواقع ، يتم استخدام تركيزات ثاني أكسيد الكربون المتزايدة بشكل روتيني في البيوت الزجاجية لتعزيز الإنتاج.
“أظهرت الأصناف الحديثة من الأرز والفول السوداني زيادة في الإنتاج بنسبة تقارب 30% مع ارتفاع ثاني أكسيد الكربون إلى المستويات المتوقعة لعام 2050-2060.
النباتات من نوع C4 – الذرة والدرة – لا تُظهر زيادة في الإنتاج ، لأنها已经 مشبعة بثاني أكسيد الكربون عند مستوياتها المرتفعة بالفعل “
هذا صحيح بشكل خاص للنباتات ذات الأيض من النوع C3 ، والتي تشمل معظم المحاصيل غير الاستوائية ، وتشكل جزءًا كبيرًا من المحاصيل الغذائية الأساسية في العالم (النباتات من النوع C4 لها أیض مختلف ، الذي يركز ثاني أكسيد الكربون في الورقة قبل عملية البناء الضوئي ، لذلك من المنطقي أن تكون مستويات ثاني أكسيد الكربون المحيطة أقل أهمية بالنسبة لها).
مصدر: GforG
أخبار جيدة أخرى هي أن ضعف الإنتاجية المحصولية ليس فقط ممكنًا ، بل تم إنجازه بالفعل ، على الأقل لبعض المحاصيل المحددة.
على سبيل المثال ، أدت الاستثمارات الضخمة في البحث والتطوير من قبل الشركات الزراعية إلى ضعف إنتاجية الذرة ، بينما تأخرت بعض المحاصيل الغذائية الأساسية الأخرى ، مثل الأرز والقمح والبطاطا والدرة (المهمة في أفريقيا والمناطق الاستوائية) عن ذلك.
مصدر: Royal Society Publishing
التعامل مع مشاكل الزراعة
أوزون منخفض الارتفاع
الأوزون التروسبيري (O3) هو ملوث ثانوي يتكون نتيجة للتفاعل بين أشعة الشمس والمواد العضوية المتطايرة وأكسيد النيتروجين في الكتلات الهوائية الملوثة.
اليوم ، يمكن العثور على مستويات >100 جزء في المليون بشكل متكرر في المناطق الريفية في حزام الذرة الأمريكي ، مع مستويات أعلى بكثير في مناطق الإنتاج الرئيسية للمحاصيل في الصين والهند.
“تُحدث الأوزون بالفعل خسائر بنسبة 5% للفول السوداني وحوالي 10% للذرة في الولايات المتحدة ، مما يكلف حوالي 9 مليارات دولار سنويًا. يمكن أن يؤدي ذلك إلى خسارة تصل إلى 10% من المحاصيل العالمية. “
يمكن أن يقلل التحرير الجيني على تشريح النبات ، خاصة الثغور (النقاط التي تدخل الهواء إلى الأوراق) ، من اختراق الأوزون والضرر. مع زيادة تركيز ثاني أكسيد الكربون ، لا ينبغي أن يؤثر انخفاض فتح الثغور بشكل كبير على كفاءة التمثيل الضوئي.
مصدر: ScienceFacts
يمكن أن يساعد أيضًا تعزيز إنتاج المضادات الأكسدة في النبات في تقليل الأكسدة بواسطة جزيئات الأوزون ، وتحسين مقاومة النبات بشكل عام للضغط.
الجفاف واستخدام المياه
من المتوقع أن يرتبط ارتفاع درجات الحرارة والأحوال الجوية المتطرفة بفترات جفاف أكثر.
من المتوقع أن ترتفع خسائر المحاصيل الناجمة عن الجفاف في الذرة إلى 21.3% بحلول عام 2050 ، من متوسط سابق بنسبة 12.0% للفترة 1961-2006 ، وللقمح من 9.6% إلى 15.5%.
سوف ترتفع نسبة المناطق المتأثرة بالجفاف في أفريقيا وأوقيانوسيا من 22% و 15% حاليًا إلى 59% و 58% على التوالي بحلول نهاية القرن.
هنا أيضًا ، يمكن أن يساعد انخفاض فتح الثغور في تقليل متطلبات المياه في النباتات ، وتقليل الضغط خلال فترات الجفاف.
“كان النتيجة تحسنًا بنسبة 15% في كفاءة استخدام المياه على مستوى الورقة في النباتات التي تُزرع في الحقل وتقلُّ بنسبة 30% في استخدام الماء الكلي للنبات. بسبب السرعة العالية التي يمكن بها تعديلها جينيًا ، يتم استخدام التبغ غالبًا كقاعدة اختبار لدراسة التعديلات التي يمكن استخدامها في مجموعة متنوعة من النباتات الأخرى. “
يمكن أن يساعد التحرير الجيني مثل إدخال بروتين الصدمة الباردة cspB من البكتيريا العصوية في تحسين مقاومة الجفاف ، ولكن لم يتم ترجمته إلى تطبيقات تجارية بعد.
تعزيز احتجاز الكربون
في النهاية ، النباتات هي آلات تتحول الماء وثاني أكسيد الكربون والضوء إلى مادة hữu cơ. فقط 50% من الكتلة الحيوية للمحاصيل تُ حصَّد ، والباقي يُترك على شكل سيقان أو جذور.
إذا كان يمكن أن يبقى هذا المادة العضوية في التربة ، بدلاً من التحلل في بضع سنوات ، فسيزيد ذلك من احتجاز الكربون الأرضي الصافي بنسبة 50%.
يمكن أن يكون الجذور الأعمق مع أساليب الزراعة بدون حراثة الإجابة ، مع تفعيل آليات متعددة في وقت واحد عندما يتم هندسة أنظمة الجذور الأقوى ، إما من خلال التحرير الجيني أو برامج التربية المخصصة:
- تحسين جودة التربة وطاقتها على الاحتفاظ بالماء.
- تحسين مقاومة النبات للجفاف ، مما يحافظ على امتصاص الكربون على أعلى مستوى في جميع الأوقات.
يمكن أن يجعل تغيير تركيبة الجدار الخلوي ، مع المزيد من اللجنين والجزيئات الكربونية الطويلة ، المادة العضوية الناتجة أكثر مقاومة للتحلل ، مما يؤدي إلى احتجاز الكربون تحت الأرض لعدة عقود ، أو حتى قرون.
أخيرًا ، يمكن اتخاذ نهج أكثر نشاطًا ، مع الهدف المباشر من “زراعة” و احتجاز الكربون على مستوى صناعي. لقد حدد العلماء أنواعًا عالية الإنتاجية من الأعشاب العشبية الدائمة من النوع C4 مثل Miscanthus × giganteus أو الذرة الرفيعة (Panicum virgatum) و العشب البريري (Spartina pectinata) ، والتي يمكن أن تؤدي إلى احتجاز ما يصل إلى 130 طنًا من ثاني أكسيد الكربون لكل هكتار في عام واحد ، أو ربما أكثر من ذلك لبعض الأصناف.
يمكن استخدام هذه الكتلة الحيوية لتحويلها إلى طاقة ، ويتم التقاط ثاني أكسيد الكربون الناتج وتخزينه تحت الأرض.
مصدر: Penn State University
وضع اللوائح المناسبة
التحايل على التناقضات
مشكلة مع نشر المحاصيل المعدلة جينيًا على نطاق واسع والتي يمكن أن تنمو إما لزيادة الإنتاجية في مواجهة تغير المناخ أو حتى للمساهمة في تخفيفه ، هي أن ذلك سيتطلب بالتأكيد استخدام المحاصيل المعدلة جينيًا.
في هذا السياق ، يمكن أن يكون تردد المناطق الكبيرة في استخدام هذه المحاصيل عائقًا كبيرًا لأي حلول تقنية حيوية لتغير المناخ ونقص الغذاء.
هذا صحيح بشكل خاص للاتحاد الأوروبي ، الذي يمنع غالبًا المحاصيل المعدلة جينيًا. لكن المناطق الأخرى也有 ميل إلى حظر المحاصيل المعدلة جينيًا من العلامات العضوية ، على الرغم من وجود أهداف صارمة لزيادة نسبة الزراعة التي تندرج تحت العلامة العضوية.
لذلك ، في السياق التشريعي الحالي ، يمكن أن يؤدي حماية البيئة من خلال المزيد من الزراعة العضوية إلى ضرر بالبيئة من خلال الإضرار بالإنتاجية المحسنة وزيادة احتجاز الكربون.
كان هذا موضوعًا لمقال نشر في المجلة العلمية المرموقة Cell2 بعنوان “تقنيات جينية جديدة في الإنتاج العضوي: اعتبارات للتنظيم القائم على العلم والفعال والمقبول في الاتحاد الأوروبي”.
CRISPR وتقنيات الجينوم الجديدة (NGTs)
مشكلة رئيسية هي التمييز بين تقنيات الجينوم الجديدة (NGTs) وطرق أكثر قساوة سابقة استُخدمت لإنشاء المحاصيل المعدلة جينيًا.
تتضمن هذه الطريقة الأكثر تحكمًا ودقة من الهندسة الجينية CRISPR-Cas9 وتكنولوجيا النوكلياز الموجهة بالمواقع (SDN) والتعديل الموجه بالأوليجونيوكليوتيدات (ODM) وترميز الدنا التابع للآر أن أ (RdDm).
على عكس إدخال جين غريب في نبات ، يمكن أن تُحدث NGT طفرة مستهدفة يمكن أن تحدث بشكل طبيعي أو إدخال مواد من نبات يمكن أن يتزاوج بشكل طبيعي مع المحصول المستهدف.
“يمكن للزراعة العضوية أن تلعب دورًا هامًا في الانتقال إلى أنظمة غذائية أكثر استدامة ،
يمكن تحقيق تركيز أكبر على الكفاءة والقدرة على الصمود من خلال إدخال تنوع أكبر من المحاصيل ، يمكن تسهيل وتسريع تطويرها بواسطة NGTs.”
لذلك ، في حين أن NGTs ليست “طبيعية” تمامًا ، فإنها لا تخلق شيئًا جديدًا يمكن أن يحدث بشكل طبيعي ، وبدلاً من ذلك “توجه يد الطبيعة”.
يعتقد مؤيدو هذا الموقف أنه من الضروري فهم طبيعة NGTs وإجراء تمييز دقيق بين التقنيات قيد النظر (المحاصيل المعدلة جينيًا مقابل NGTs).
يمكن للعلامات العضوية التكيف مع NGTs؟
سبب كبير لتحفظ المنظمين والجمهور على قبول حتى “NGTs الطبيعية” في العلامة العضوية هو أن ذلك قد يضر بشكل رئيسي بافتراض هذه العلامة.
بدلاً من ذلك ، يقترح مؤلفو الورقة مخططات تصنيف واضحة “عضوية + NGT” التي توضح أنها ليست مجرد خطة زراعة عضوي “كلاسيكي” ، ولكنها ليست المحاصيل المعدلة جينيًا العادية أيضًا.
إذا كانت الزراعة العضوية نوعًا من الإنتاج الزراعي المُروج في الاتحاد الأوروبي ، فسيُحتاج إلى قبول جميع أشكال الإنتاج العضوي (بما في ذلك NGT+) عند تقييم نطاق أهداف الاتحاد الأوروبي العضوية.
هذا يمكن أن يفتح الطريق لتوسيع نطاق أساليب الزراعة العضوية ، دون التضحية بالإنتاجية. خاصة وأن العلامات العضوية تتجاوز مجرد نوع النبات ، ولكن أيضًا أساليب الزراعة مثل استخدام المبيدات والأسمدة ، وطرق الحراثة والزراعة ، إلخ.
أفكار ختامية حول التحرير الجيني وثبات الزراعة
التغيرات المناخية وزيادة الطلب على الغذاء هما خطر كبير وفرصة كبيرة.
من ناحية ، يمكن أن يسبب ذلك معاناة إنسانة وضررًا بيئيًا هائلين. من ناحية أخرى ، يمكن أن يكون هذا هو الدافع الذي يحفزنا على إنشاء أشكال أفضل وأكثر استدامة للزراعة.
من المحتمل أن يمر هذا بتحرير جيني للمحاصيل ، على النحو الذي تم منذ بداية الزراعة.
يمكن أن تستخدم تقنيات الجينوم الجديدة الآن ثروة البيانات الجينية المتراكمة في العقود القليلة الماضية لإنشاء نباتات أكثر مقاومة وإنتاجية.
في غضون ذلك ، تحتاج لوائحنا وتصورنا للتحرير الجيني إلى التطور أيضًا. الهدف النهائي لحماية البيئة سيتطلب التغلب على مفاهيم مسبقة حول المحاصيل المعدلة جينيًا التي تم إنشاؤها عندما كانت الهندسة الجينية لا تزال بدائية نسبيًا.
هذا لا يعني أن التعديل غير الخاضع للرقابة للبيوسفير يجب أن يحدث بحرية ، ولكن أن نهجًا أكثر انفتاحًا واهتمامًا يمكن أن يستفيد من جميع الأدوات الجديدة المتاحة ويحقق أفضل النتائج الممكنة مع تقليل معظم المخاطر.
مبتكر التحرير الجيني النباتي
Corteva
(CTVA )
