Zwalczanie szkodników za pomocą bioróżnorodności zamiast insektycydów

Rośliny wchodzą w interakcje z osobnikami z ich otoczenia – podobnie jak ludzie.

Jeśli na przykład osoby w otoczeniu są podatne na infekcje, wzrasta ryzyko własnego zakażenia. Jeśli są jednak odporne, ryzyko to maleje. To samo dotyczy roślin: gdy różne typy genetyczne tego samego gatunku są uprawiane razem, niektóre kombinacje wykazują większą odporność na szkodniki i choroby. Ten pozytywny efekt bioróżnorodności nazywany jest odpornością asocjacyjną.

Bezpieczeństwo żywnościowe a ochrona różnorodności gatunkowej

Jednym z wyzwań współczesnych społeczeństw jest pogodzenie bezpieczeństwa żywnościowego z ochroną środowiska i bioróżnorodnością. Szkodniki i choroby zagrażają plonom, dlatego w rolnictwie stosuje się chemiczne środki ochrony roślin. Pestycydy mogą jednak zmniejszać różnorodność gatunków owadów. «W tym miejscu odporność asocjacyjna, jako metoda uprawy, mogłaby pomóc zabezpieczyć produkcję żywności, a jednocześnie zachować różnorodność gatunkową», mówi Kentaro Shimizu, dyrektor Instytutu Biologii Ewolucyjnej i Nauk o Środowisku Uniwersytetu w Zurychu (UZH).

Ale które kombinacje roślin o różnych genotypach – indywidualnym wyposażeniu genetycznym – powinny być sadzone w mieszanych uprawach, aby odpierać szkodniki i choroby? Jeśli na przykład chce się wybrać dwa spośród łącznie 199 genotypów, istnieje 19 701 możliwych kombinacji. Naukowcy z UZH opracowali teraz, za pomocą modelu fizycznego, nową metodę pozwalającą przewidywać możliwe interakcje między osobnikami na poziomie genetycznym.

Obszerne prace terenowe na kampusie Irchel

Naukowcy przeprowadzili przez dwa lata zakrojone na szeroką skalę eksperymenty na kampusie Irchel UZH oraz w Japonii. Dla 199 zebranych na całym świecie genotypów rośliny Arabidopsis thaliana dostępne były już sekwencje genomu. Badacze losowo wymieszali ponad 30 osobników każdego ze 199 genotypów i zasadzili łącznie 6400 roślin. «Aby policzyć 52 707 owadów na 6400 roślinach, główny badacz Yasuhiro Sato spędził miesiące letnie w ogrodzie badawczym na Irchel. Jego ogromny zbiór danych, który udało się zebrać dzięki ogrodowi badawczemu uniwersytetu na kampusie Irchel, był kluczem do tego badania», mówi profesor UZH Shimizu.

Dotychczas nie istniały metody analityczne pozwalające badać interakcje na poziomie genomu – całej informacji genetycznej – między sąsiadującymi osobnikami roślin. Zespół dr. Sato opracował więc nową metodę obliczeniową: badanie asocjacyjne całego genomu o nazwie «Neighbor GWAS». Bazuje ono na modelu fizycznym stosowanym do analizy interakcji między magnesami. Zespół zbadał za jego pomocą, jak porażenie przez szkodniki jest wpływane przez kombinację sąsiadujących ze sobą osobników o różnych genotypach. Równolegle naukowcy uwzględnili wyniki eksperymentów terenowych.

Redukcja szkodników nawet o 25 procent

Analiza wykazała, że w interakcjach z otaczającymi osobnikami bierze udział wiele genów. Za pomocą uczenia maszynowego naukowcy zajmujący się roślinami mogli, korzystając z tego modelu, przewidywać szkody wyrządzane przez roślinożerców oraz zidentyfikować korzystne kombinacje par genotypów wykazujące odporność asocjacyjną.

Przez dwa lata przeprowadzono kolejny zakrojony na szeroką skalę eksperyment terenowy, w którym około 2000 osobników roślin zasadzono parami z tymi genotypami, dla których przewidziano trzy poziomy odporności asocjacyjnej. Wyniki eksperymentu terenowego pokazały, że w porównaniu z uprawą pojedynczego genotypu, mieszanie dwóch genotypów zmniejszyło szkody wyrządzane przez roślinożerców o 24,8 procent przy najwyższym poziomie odporności asocjacyjnej oraz o 22,7 procent przy drugim najwyższym poziomie.

Przyszłe kierunki rozwoju

«To badanie jest kamieniem milowym w badaniach nad interakcjami między osobnikami roślin. Pokazuje, jak ważna jest bioróżnorodność: po pierwsze, genetyczna różnorodność samych roślin uprawnych może zmniejszyć porażenie przez szkodniki. Po drugie, mniejsze zużycie pestycydów w rolnictwie przyczynia się do zachowania różnorodności biologicznej, w tym owadów», podsumowuje Kentaro Shimizu.

Metaanalizy, w których uczestniczył Bernhard Schmid, pokazują, że na przykład w przypadku pszenicy i ryżu osiąga się o 4 do 16 procent wyższe plony, gdy genotypy są mieszane losowo. Według Shimizu nowa metoda mogłaby, dzięki informacjom genomowym dostępnym dla tych gatunków uprawnych, poprzez przewidywanie odporności asocjacyjnych zoptymalizować dobór mieszanek genotypów, a tym samym jeszcze bardziej zwiększyć plony tych ważnych gospodarczo gatunków roślin, przy jednoczesnym ograniczeniu stosowania pestycydów.