Welkom bij
Moderne landbouw
!
Lastige planten zoals waterhennep, paardenkruid, en cheatgrass hebben hun weg gevonden naar gewassen en weidegronden over de hele wereld. Met hun snelgroeiende en productieve aanwezigheid, onkruid zorgt er vaak voor dat gewassen hoog en spichtig groeien, wat leidt tot een slechte oogstopbrengst. paardenkruid, bijvoorbeeld, is aangetoond dat het de sojaopbrengst met 83 procent verlaagt.
Herbiciden kunnen het probleem helpen bestrijden, maar een groeiende weerstand tegen de chemicaliën maakt onkruidbestrijding steeds moeilijker.
Ian Heap is een onkruidwetenschapper die weedscience.org beheert, een website die de resistentie tegen herbiciden over de hele wereld bijhoudt. Meer dan 400 wetenschappers voeden Heap-gegevens waarop onkruid immuun is geworden voor herbicide.
“De boer heeft geen opties meer, " zegt Hoop,
Daarom zijn sommige wetenschappers kleiner gaan denken. Microscopisch, ook al.
In de afgelopen tien jaar, een paar dozijn wetenschappers hebben zich tot genomica gewend om te begrijpen waarom sommige onkruiden herbicideresistentie hebben ontwikkeld of invasiever zijn geworden.
In de afgelopen tien jaar, een paar dozijn wetenschappers hebben zich tot genomica gewend om te begrijpen waarom sommige onkruiden herbicideresistentie hebben ontwikkeld of invasiever zijn geworden. De tijd dat Genomics in de schijnwerpers staat, is grotendeels te danken aan de mediabuzz rond The Human Genome Project, een enorme internationale inspanning gewijd aan het ontsluiten van de geheimen van het menselijk DNA. Maar planten hebben genomen, te.
Simpel gezegd, een genoom is de blauwdruk voor de bloedlijn van een organisme - de eigenschappen die van ouder op nakomelingen worden doorgegeven. Het is meestal gecodeerd in het DNA. Met behulp van verschillende technieken voor DNA-sequencing, sommigen hebben de genomen van verschillende gewassen onkruid gedeeltelijk of volledig in kaart gebracht. En hoewel de dure onderneming geen onmiddellijke antwoorden kan bieden op de problemen waarmee boeren in het veld worden geconfronteerd, het kan gegevens leveren om over de hele lijn effectievere herbiciden te maken.
Waterhemp is een onkruid dat grote problemen veroorzaakt voor boeren in het Midwesten. Inheems in de moerassige gebieden van Illinois en Missouri, de grote, rechtopstaande wiet met onopvallende bloemen heeft een nieuw thuis gevonden in sojabonen en korenvelden in de regio. Twintig jaar geleden, de meeste mensen in Illinois "hadden zelfs nog nooit gehoord van waterhennep, ” zegt Patrick Tranel, een gewasonkruidwetenschapper van de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign. "Nutsvoorzieningen, het is de slechtste wiet.”
Waterhemp produceert miljoenen zaden en ontkiemt meerdere keren in een groeiseizoen. Dit heeft het een opmerkelijke genetische diversiteit opgeleverd. Het heeft een snel en sluw vermogen om zich aan te passen aan zijn omgeving, en heeft zelfs een resistentie ontwikkeld tegen het actieve ingrediënt - glyfosaat - in Monsanto's herbicide Roundup. “Je kunt je veld niet één keer besproeien en het waterhennepprobleem oplossen. De volgende keer dat het regent zal er meer komen, ', zegt Tranel.
Een screenshot van weedscience.org.
terug in 2009, Tranel's lab heeft willekeurig het genoom van waterhemp gesequenced om te zoeken naar genen die mogelijk betrokken zijn bij herbicideresistentie - dat betekent dat ze alleen delen van het genoom hebben gesequenced, in plaats van het geheel. Het in kaart brengen van het gehele genoom was (en is) te kostbaar, maar de shotgun-aanpak gaf voldoende inzicht in de genetische samenstelling van waterhemp om te testen op specifieke mutaties die de effecten van glyfosaat en andere herbiciden tenietdoen. Hoewel Tranel het hele genoom van waterhennep in kaart wil brengen, een gebrek aan beschikbare financiering en betaalbare DNA-sequencing-technieken maken het moeilijk uit te voeren.
Glyfosaatresistentie is niet uniek voor waterhennep; bijna 30 wietsoorten over de hele wereld reageren niet meer op Roundup. Hoewel slechts een handvol onkruid de boeren ernstige schade toebrengt, begrijpen welke genen verantwoordelijk zijn voor deze evolutionaire aanpassing is van cruciaal belang voor toekomstig onkruidbeheer.
Neal Stewart realiseerde zich dit al vroeg, en toen het glyfosaat-resistente paardenkruid in 2002 zijn weg vond naar Tennessee, zijn interesse was gewekt. In 2005, het laboratorium van de plantenwetenschapper aan de Universiteit van Tennessee begon het genoom van paardenkruid te coderen. Door de jaren heen, een groot deel van Stewarts financiering is afkomstig van Monsanto, het Amerikaanse ministerie van landbouw (USDA) en de Tennessee Soybean Promotion Board.
Horseweed zal het eerste onkruid zijn waarvan het volledige genoom wordt gesequenced, met Stewart in de hoop zijn resultaten later dit jaar te publiceren.
Boeren gebruiken Roundup op miljoenen hectaren akkerland in de Verenigde Staten en de wereld, zijn bereik overtreft alle andere veelgebruikte herbiciden. Hoewel het laboratorium van Stewart het werk aanstuurt, wetenschappers overal, inclusief die van Monsanto, zal toegang hebben tot de genetische informatie wanneer deze aan het publiek wordt vrijgegeven.
"Door resistentiemechanismen te bestuderen, hopen we dit soort zwakheden te begrijpen in het voordeel van de boeren, " zegt Doug Sammons, een chemicus bij Monsanto die al tien jaar samenwerkt met Stewart. De genomische informatie over paardenkruid zal waarschijnlijk helpen bij het bepalen van de beste methoden om het onkruid te beheren in plaats van alleen nieuwe ontdekkingen van herbiciden.
Hoewel het in kaart brengen van onkruidgenomen wetenschappers helpt om meer te weten te komen over herbicideresistentie, niet alle onkruiden zijn goede kandidaten voor sequencing. Sommige, zoals cheatgrass, een enorme hoeveelheid genen in zijn genoom hebben, waardoor het simpelweg te duur is om in kaart te brengen gezien de huidige technologie.
'Maïs, mensen, en cheatgrass hebben allemaal genomen ongeveer dezelfde grootte, ’ zegt Craig Coleman, een onkruidwetenschapper aan de Brigham Young University. ‘Het is dus heel complex.’
"Maïs, mensen, en cheatgrass hebben allemaal genomen ongeveer dezelfde grootte, " zegt Craig Coleman, een onkruidwetenschapper aan de Brigham Young University in Provo, Utah die de wiet al meer dan tien jaar bestudeert. "Dus het is heel complex."
De Rangeland-wiet vernietigt bijzondere ravage in de westelijke staten zoals Idaho, Utah, Nevada, Colorado, Arizona en New Mexico, en is een belangrijke brandstofbron voor bosbranden. Nog altijd, de sequentie van het genoom van cheatgrass "nooit bij me opgekomen", zegt Coleman.
In plaats daarvan, Coleman en zijn medewerkers bij de USDA Forest Service hebben het genoom in kaart gebracht van een schimmel die ze "The Black Fingers of Death, ” voor de zwarte draden van de ziekteverwekker die cheatgrasszaden overspoelen en vernietigen, maar hebben geen invloed op andere gewassen. De genetische informatie van de schimmels heeft de wetenschappers geholpen bepaalde genen te identificeren die zaaddodende toxines kunnen produceren.
Maar genomics is geen toverpil. Zelfs als we de genetische informatie wisten over elk onkruid dat we nu kennen, het zou het probleem niet oplossen. Adaptief van nature, nieuw onkruid zoals waterhennep zal naar boven komen. Boeren moeten middelen gebruiken zoals de website van Heap, genetische vooruitgang en traditionele technieken voor onkruidbeheer, zoals grondbewerking en zelfs met de hand wieden om het ongedierte te bestrijden.
Voor nu, wetenschappers wachten reikhalzend op goedkoper, verbeterde DNA-sequencingtechnologie om hun projecten verder te helpen.
“De USDA is zeker geïnteresseerd in wietgenomics, " zegt David Horvath, een plantenonderzoeker bij de organisatie. Op zijn radar staat technologie van Pacific Biosystems en Oxford Nanopore Technology, beide bedrijven die technologie produceren die sequencing gemakkelijker en nauwkeuriger zou kunnen maken.
Ondertussen, boeren zitten met de huidige herbiciden.
“Onkruid is een wilde plant, het zijn geen laboratoriumplanten, ', zegt Horvath. Dus "ze zijn gewoon moeilijker om mee te werken."
De droom? Dat werk van zijn laboratorium en andere wetenschappers zal chemische bedrijven helpen herbiciden te ontwikkelen die gericht zijn op specifieke genen, verwant aan de ontwikkeling van designergeneesmiddelen in de farmaceutische industrie.
“Dat is onze hoop op de lange termijn, ', zegt Horvath.
(Photo Credit:Flickr-gebruiker Robb Hannawacker/CC2.0)
