Combaterea dăunătorilor cu biodiversitate în loc de insecticide

Plantele interacționează cu indivizii din jurul lor – exact ca oamenii.

Dacă, de exemplu, persoanele din anturaj sunt predispuse la infecții, riscul propriu de a te îmbolnăvi crește. Dacă însă sunt rezistente, riscul scade. Același lucru este valabil și pentru plante: atunci când diferite tipuri genetice ale aceleiași specii sunt plantate împreună, anumite combinații sunt mai rezistente la dăunători și boli. Acest efect pozitiv asupra diversității biologice se numește rezistență asociativă.

Securitate alimentară și protecția biodiversității

Una dintre provocările societăților moderne este conciliarea securității alimentare cu protecția mediului și a diversității biologice. Dăunătorii și bolile amenință recoltele, motiv pentru care în agricultură se folosesc produse chimice de protecție a plantelor. Pesticidele pot însă reduce diversitatea speciilor de insecte. „Aici rezistența asociativă ar putea oferi o soluție, ca metodă de cultivare care asigură producția de alimente și păstrează în același timp biodiversitatea", spune Kentaro Shimizu, directorul Institutului de Biologie Evoluționistă și Științe ale Mediului al Universității din Zürich (UZH).

Dar ce combinații de plante cu genotipuri diferite – adică cu înzestrări genetice individuale – ar trebui plantate în culturi mixte pentru a respinge dăunătorii și bolile? Dacă se doresc, de exemplu, două genotipuri din totalul de 199, există 19.701 combinații posibile. Cercetătorii de la UZH au dezvoltat acum, cu ajutorul unui model fizic, o metodă nouă pentru a prezice posibilele interacțiuni dintre indivizi la nivel genetic.

Ample lucrări de teren pe campusul Irchel

Cercetătorii au efectuat timp de doi ani experimente la scară largă pe campusul Irchel al UZH, precum și în Japonia. Pentru cele 199 de genotipuri ale plantei Arabidopsis thaliana, colectate din întreaga lume, secvențele genomice erau deja disponibile. Cercetătorii au amestecat aleatoriu peste 30 de indivizi din fiecare dintre cele 199 de genotipuri și au plantat în total 6.400 de indivizi. „Pentru a număra 52.707 insecte pe 6.400 de plante, cercetătorul principal Yasuhiro Sato și-a petrecut lunile de vară în grădina de cercetare de pe Irchel. Setul său imens de date, care a putut fi colectat datorită grădinii de cercetare a universității de pe campusul Irchel, a fost cheia acestui studiu", spune profesorul UZH Shimizu.

Până acum nu existau metode de analiză pentru a investiga interacțiunile la nivelul genomului – al întregii informații ereditare – dintre indivizii vegetali vecini. De aceea, echipa din jurul dr. Sato a dezvoltat o nouă metodă computațională: un studiu de asociere la nivelul întregului genom, numit „Neighbor GWAS". Acesta se bazează pe un model din fizică, folosit pentru analiza interacțiunilor dintre magneți. Echipa a analizat astfel cum este influențată infestarea cu dăunători de combinația dintre indivizi cu genotipuri diferite, plantați unul lângă altul. În paralel, cercetătorii au luat în considerare rezultatele experimentelor de teren.

Reducerea dăunătorilor cu până la 25 la sută

Analiza a arătat că numeroase gene sunt implicate în interacțiunile cu indivizii din jur. Cu ajutorul învățării automate, oamenii de știință din domeniul plantelor au putut, folosind modelul, să prezică daunele provocate de ierbivore și să identifice combinații avantajoase de perechi de genotipuri care dispun de o rezistență asociată.

Timp de doi ani a fost realizat un alt experiment de teren la scară largă, în care aproximativ 2.000 de indivizi vegetali au fost plantați în perechi, cu acele genotipuri pentru care fuseseră prezise trei niveluri de rezistență asociativă. Rezultatele experimentului de teren au arătat că – în comparație cu plantarea unui singur genotip – amestecul a două genotipuri a redus daunele provocate de ierbivore cu 24,8 la sută, respectiv 22,7 la sută, la cel mai înalt, respectiv al doilea cel mai înalt nivel de rezistență asociativă.

Evoluții viitoare

«Acest studiu este o piatră de hotar în cercetarea interacțiunilor dintre indivizii plantelor. El arată cât de importantă este biodiversitatea: în primul rând, diversitatea genetică a plantelor cultivate poate reduce prin ea însăși infestarea cu dăunători. În al doilea rând, utilizarea mai redusă de pesticide în agricultură contribuie la conservarea diversității biologice, inclusiv a insectelor», rezumă Kentaro Shimizu.

Metastudiile la care a participat Bernhard Schmid arată că, de exemplu, la grâu și orez se obțin recolte cu 4 până la 16 la sută mai mari atunci când genotipurile sunt amestecate aleatoriu. Potrivit lui Shimizu, noua metodă ar putea, datorită informațiilor genomice disponibile pentru aceste culturi, să optimizeze alegerea amestecurilor de genotipuri prin prezicerea rezistențelor asociate și astfel să crească și mai mult recoltele acestor specii de plante importante pentru agricultură, reducând în același timp utilizarea pesticidelor.