MIT-forskare har utarbetat ett sätt att skydda frön från stressen från vattenbrist under deras avgörande groningsfas, och till och med förse växterna med extra näring.
Kredit:Felice Frankel
En ny fröbeläggningsprocess skulle kunna underlätta jordbruket på marginella torra marker genom att göra det möjligt för fröna att behålla tillgängligt vatten.
När världen fortsätter att värmas upp kommer många torra regioner som redan har marginella förutsättningar för jordbruk att bli alltmer stressade, vilket kan leda till allvarlig livsmedelsbrist. Nu har forskare vid MIT kommit fram till en lovande process för att skydda frön från stressen från vattenbrist under deras avgörande groningsfas, och till och med förse växterna med extra näring samtidigt.
Processen, som genomgår fortsatta tester i samarbete med forskare i Marocko, är enkel och billig och skulle kunna användas brett i torra regioner, säger forskarna. Fynden rapporteras i tidskriften Nature Food , i en artikel av MIT-professorn i civil- och miljöteknik Benedetto Marelli, MIT-doktorand Augustine Zvinavashe ’16 och åtta andra vid MIT och vid King Mohammed VI Polytechnic University i Marocko.
Tvåskiktsbeläggningen som teamet utvecklade är en direkt följd av år av forskning av Marelli och hans medarbetare för att utveckla fröbeläggningar för att ge olika fördelar. En tidigare version gjorde det möjligt för frön att motstå hög salthalt i jorden, men den nya versionen syftar till att hantera vattenbrist.
"Vi ville göra en beläggning som är specifik för att hantera torka", förklarar Marelli. "Eftersom det finns tydliga bevis för att klimatförändringarna kommer att påverka Medelhavsområdet", säger han, "måste vi utveckla ny teknik som kan hjälpa till att mildra dessa förändringar i klimatmönstren som kommer att göra mindre vatten tillgängligt. till jordbruket.”
Den nya beläggningen, med inspiration från naturliga beläggningar som förekommer på vissa frön som chia och basilika, är konstruerad för att skydda fröna från att torka ut. Det ger en gelliknande beläggning som envist håller fast vid all fukt som kommer med och omsluter fröet med det.
Ett andra, inre lager av beläggningen innehåller bevarade mikroorganismer som kallas rhizobakterier, och vissa näringsämnen för att hjälpa dem att växa. När de utsätts för jord och vatten fixerar mikroberna kväve i jorden och förser den växande plantan med näringsrik gödsel för att hjälpa den på vägen.
"Vår idé var att tillhandahålla flera funktioner till fröbeläggningen", säger Marelli, "inte bara inriktat på denna vattenmantel, utan också inriktat på rhizobakterierna. Detta är det verkliga mervärdet till vår fröbeläggning, eftersom dessa är självreplikerande mikroorganismer som kan fixera kväve för växterna, så att de kan minska mängden kvävebaserade gödselmedel som tillhandahålls och berika jorden.”
Tidiga tester med jord från marockanska testgårdar har visat uppmuntrande resultat, säger forskarna, och nu pågår fälttester av fröna.
I slutändan, om beläggningarna visar sitt värde genom ytterligare tester, är beläggningarna enkla nog att de skulle kunna appliceras på lokal nivå, även på avlägsna platser i utvecklingsvärlden. "Det kan göras lokalt," säger Zvinavashe. "Det är en av sakerna vi tänkte på när vi designade det här. Det första lagret kan du doppa, och sedan det andra lagret kan du spraya det på. Det här är väldigt enkla processer som bönder skulle kunna göra på egen hand.” I allmänhet säger Zvinavashe dock att det skulle vara mer ekonomiskt att göra beläggningarna centralt, i anläggningar som lättare kan bevara och stabilisera de kvävefixerande bakterierna.
Materialen som behövs för beläggningarna är lättillgängliga och används ofta redan i livsmedelsindustrin, säger Marelli. Materialen är också helt biologiskt nedbrytbara, och vissa av föreningarna i sig kan faktiskt härröra från matavfall, vilket möjliggör eventuella system med slutna kretslopp som kontinuerligt återvinner sitt eget avfall.
Även om processen skulle lägga en liten mängd till kostnaden för själva fröna, säger Marelli, kan den också ge besparingar genom att minska behovet av vatten och gödningsmedel. Nettobalansen mellan kostnader och fördelar återstår att fastställa genom ytterligare forskning.
Även om inledande tester med vanliga bönor har visat lovande resultat genom en mängd olika mått, inklusive rotmassa, stamhöjd, klorofyllinnehåll och andra mätvärden, har teamet ännu inte odlat en hel skörd från frön med den nya beläggningen hela vägen fram till skörd, vilket kommer att bli det ultimata testet på dess värde. Förutsatt att det förbättrar skörden under torra förhållanden, blir nästa steg att utvidga forskningen till en mängd andra viktiga frön, säger forskarna.
"Systemet är så enkelt att det kan appliceras på vilket frö som helst", säger Marelli. "Och vi kan designa fröbeläggningen för att svara på olika klimatmönster." Det kan till och med vara möjligt att skräddarsy beläggningar efter den förutsedda nederbörden under en viss växtsäsong, säger han.
"Det här är mycket viktigt arbete", säger Jason C. White, chef för Connecticut Agricultural Experiment Station och professor i epidemiologi vid Yale University, som inte var associerad med denna studie. "Att upprätthålla global livsmedelssäkerhet under de kommande decennierna kommer att vara en av de viktigaste utmaningarna vi står inför som art. … Detta tillvägagångssätt passar in på beskrivningen av ett viktigt verktyg i det arbetet; hållbar, lyhörd och effektiv.”
White säger, "Fröbeläggningstekniker är inte nya, men nästan alla befintliga metoder saknar mångsidighet eller lyhördhet." Det nya verket, säger han, är "både nytt och innovativt" och "öppnar verkligen en ny arbetsväg för responsiva fröbeläggningar för att mediera tolerans mot en rad biotiska och abiotiska stressfaktorer."
Referens:"Programmerbar design av fröbeläggningsfunktion inducerar vattenstresstolerans i halvtorra regioner" av Augustine T. Zvinavashe, Julie Laurent, Manal Mhada, Hui Sun, Henri Manu Effa Fouda, Doyoon Kim, Salma Mouhib, Lamfeddal Kouisni och Benedetto Marelli, 8 juli 2021, Nature Food .
DOI:10.1038/s43016-021-00315-8
Teamet inkluderade Julie Laurent, Salma Mouhib, Hui Sun, Henri Manu Effa Fouda, Doyoon Kim, Manal Mhada och Lamfeddal Kouisni, vid MIT och vid King Mohammad VI Polytechnic University i Ben-Guerir, Marocko. Arbetet stöddes delvis av OCP S.A., Université Mohammed VI Polytechnique–MIT Research Program, U.S. Office of Naval Research, National Science Foundation och MIT Paul M. Cook Career Development Professorship.
