Naukowcy z MIT opracowali sposób na ochronę nasion przed stresem związanym z niedoborem wody podczas ich kluczowej fazy kiełkowania, a nawet zapewnienie roślinom dodatkowego pożywienia.
Podziękowanie:Felice Frankel
Nowy proces powlekania nasion może ułatwić rolnictwo na marginalnych suchych terenach, umożliwiając nasionom zatrzymywanie wszelkiej dostępnej wody.
Ponieważ świat nadal się ociepla, wiele suchych regionów, które już mają marginalne warunki dla rolnictwa, będzie coraz bardziej narażonych na stres, co może prowadzić do poważnych niedoborów żywności. Teraz naukowcy z MIT opracowali obiecujący proces ochrony nasion przed stresem związanym z niedoborem wody podczas ich kluczowej fazy kiełkowania, a nawet zapewniania roślinom dodatkowego odżywiania w tym samym czasie.
Jak twierdzą naukowcy, proces, który jest poddawany ciągłym testom we współpracy z naukowcami z Maroka, jest prosty i niedrogi oraz może być szeroko stosowany w regionach suchych. Wyniki zostały opublikowane w czasopiśmie Nature Food , w artykule profesora inżynierii lądowej i środowiskowej z MIT Benedetto Marelli, doktoranta MIT Augustine'a Zvinavashe’a ’16 i ośmiu innych osób na MIT i na Politechnice Króla Mohammeda VI w Maroku.
Opracowana przez zespół dwuwarstwowa powłoka jest bezpośrednim wynikiem wieloletnich badań prowadzonych przez Marelli i jego współpracowników nad opracowaniem powłok do nasion, które przynoszą różne korzyści. Poprzednia wersja umożliwiała nasionom odporność na wysokie zasolenie gleby, ale nowa wersja ma na celu rozwiązanie problemu niedoborów wody.
„Chcieliśmy stworzyć powłokę, która jest odpowiednia do walki z suszą” – wyjaśnia Marelli. „Ponieważ istnieją wyraźne dowody na to, że zmiany klimatyczne wpłyną na basen Morza Śródziemnego”, mówi, „musimy opracować nowe technologie, które mogą pomóc złagodzić te zmiany we wzorcach klimatycznych, które sprawią, że będzie mniej dostępnej wody do rolnictwa”.
Nowa powłoka, czerpiąca inspirację z naturalnych powłok, które występują na niektórych nasionach, takich jak chia i bazylia, została zaprojektowana w celu ochrony nasion przed wysychaniem. Zapewnia żelową powłokę, która wytrwale zatrzymuje wszelką wilgoć i otula nią nasiona.
Druga, wewnętrzna warstwa powłoki zawiera zakonserwowane mikroorganizmy zwane ryzobakterią oraz niektóre składniki odżywcze, które pomagają im rosnąć. Po wystawieniu na kontakt z glebą i wodą drobnoustroje wiążą azot w glebie, dostarczając rosnącej sadzonce odżywczego nawozu, który pomaga jej w rozwoju.
„Naszym pomysłem było zapewnienie wielu funkcji powłoce nasion”, mówi Marelli, „nie tylko ukierunkowana na ten płaszcz wodny, ale także na ryzobakterie. To jest prawdziwa wartość dodana naszej powłoki do nasion, ponieważ są to samoreplikujące się mikroorganizmy, które mogą wiązać azot dla roślin, dzięki czemu mogą zmniejszyć ilość dostarczanych nawozów azotowych i wzbogacić glebę”.
Naukowcy twierdzą, że wczesne testy z użyciem gleby z marokańskich farm testowych wykazały zachęcające wyniki, a obecnie trwają testy polowe nasion.
Ostatecznie, jeśli powłoki udowodnią swoją wartość w dalszych testach, będą one na tyle proste, że będą mogły być nakładane na poziomie lokalnym, nawet w odległych lokalizacjach w krajach rozwijających się. „Można to zrobić lokalnie”, mówi Zvinavashe. „To jedna z rzeczy, o których myśleliśmy podczas projektowania tego. Pierwszą warstwę można zanurzyć, a drugą można spryskać. To bardzo proste procesy, które rolnicy mogą wykonać samodzielnie”. Ogólnie rzecz biorąc, Zvinavashe twierdzi, że bardziej ekonomiczne byłoby nakładanie powłok centralnie, w obiektach, które mogą łatwiej chronić i stabilizować bakterie wiążące azot.
Materiały potrzebne do wykonania powłok są łatwo dostępne i często już stosowane w przemyśle spożywczym, mówi Marelli. Materiały są również w pełni biodegradowalne, a niektóre związki same w sobie mogą pochodzić z odpadów spożywczych, co daje ewentualną możliwość systemów o obiegu zamkniętym, które w sposób ciągły przetwarzają własne odpady.
Chociaż proces ten zwiększyłby nieco koszt samych nasion, mówi Marelli, może również przynieść oszczędności poprzez zmniejszenie zapotrzebowania na wodę i nawóz. Bilans netto kosztów i korzyści pozostaje do ustalenia poprzez dalsze badania.
Chociaż wstępne testy z użyciem zwykłej fasoli wykazały obiecujące wyniki pod względem różnych pomiarów, w tym masy korzeni, wysokości łodyg, zawartości chlorofilu i innych wskaźników, zespół nie wyhodował jeszcze pełnego plonu od nasion z nową powłoką aż do zbiorów, które będą ostatecznym sprawdzianem jego wartości. Zakładając, że poprawi to plony w suchych warunkach, następnym krokiem będzie rozszerzenie badań na wiele innych ważnych nasion roślin uprawnych, twierdzą naukowcy.
„System jest tak prosty, że można go zastosować do każdego materiału siewnego”, mówi Marelli. „Możemy zaprojektować powłokę nasion, aby odpowiadała na różne wzorce klimatyczne”. Możliwe jest nawet dostosowanie powłok do przewidywanych opadów w danym sezonie wegetacyjnym, mówi.
„To bardzo ważna praca” – mówi Jason C. White, dyrektor Stacji Doświadczalnej w Connecticut i profesor epidemiologii na Uniwersytecie Yale, który nie był związany z tym badaniem. „Utrzymanie globalnego bezpieczeństwa żywnościowego w nadchodzących dziesięcioleciach będzie jednym z najważniejszych wyzwań, przed jakimi stoimy jako gatunek. … To podejście pasuje do opisu ważnego narzędzia w tym wysiłku; zrównoważony, responsywny i skuteczny”.
White mówi:„Technologie powlekania nasion nie są nowe, ale prawie wszystkim istniejącym podejściom brakuje wszechstronności i szybkości reakcji”. Nowa praca, jak mówi, jest „zarówno nowatorska, jak i innowacyjna” i „naprawdę otwiera nową drogę pracy nad responsywnymi powłokami nasion, aby pośredniczyć w tolerancji na szereg stresorów biotycznych i abiotycznych”.
Odniesienie:„Programowalny projekt funkcji powlekania nasion indukuje tolerancję na stres wodny w regionach półpustynnych” autorstwa Augustine T. Zvinavashe, Julie Laurent, Manal Mhada, Hui Sun, Henri Manu Effa Fouda, Doyoon Kim, Salma Mouhib, Lamfeddal Kouisni i Benedetto Marelli, 8 lipca 2021, Natura Food .
DOI:10.1038/s43016-021-00315-8
W skład zespołu weszli Julie Laurent, Salma Mouhib, Hui Sun, Henri Manu Effa Fouda, Doyoon Kim, Manal Mhada i Lamfeddal Kouisni z MIT i Politechniki Króla Mohammada VI w Ben-Guerir w Maroku. Prace były częściowo wspierane przez OCP S.A., Université Mohammed VI Polytechnique–MIT Research Program, U.S. Office of Naval Research, National Science Foundation oraz MIT Paul M. Cook Career Development Professorship.
