افزایش بازدهی محصولات کشاورزی با بهبود فرایند فتوسنتز

برای دهه‌ها، دانشمندان امکان وسوسه‌انگیزی را برای تقویت ذخایر غذایی و کاهش گرسنگی فقیرترین مناطق جهان دنبال کرده‌اند: بهبود فتوسنتز؛ فرایند زیستی در گیاهان که تقریباً از تمام حیات روی زمین حمایت می‌کند.

اکنون، پژوهشگران می‌گویند با استفاده از تغییرات ژنتیکی برای افزایش بازده فتوسنتز، عملکرد گیاهان سویا را افزایش داده‌اند. براین‌اساس، همان‌طور که تغییرات اقلیمی و تهدیدهای دیگر دسترسی به غذا را برای جمعیت‌های آسیب‌پذیر دشوارتر می‌کند، چنین روش‌هایی ممکن است روزی غذای بیشتری دراختیار مردم قرار دهد.

دانشمندان تغییرات ژنی خود را روی گیاهان سویا که طی دو فصل زراعی در یک مکان کشت شده بودند، آزمایش کردند. آن‌ها در مصاحبه‌های خود، اذعان کردند که آزمایش‌های بیشتری نیاز است تا ببینیم که آیا نتایج آن‌ها در محیط‌ها و شرایط آب‌و‌هوایی متفاوت نیز تکرار می‌شود. روش‌های آن‌ها همچنین پیش از اینکه به مزارع کشاورزان برسد، باید ازسوی دولت تأیید شود.

سویا که بخش زیادی از آن برای تغذیه دام‌ها کشت می‌شود، فقط یک آغاز است. پژوهشگران امیدوار هستند بتوانند عملکرد محصولاتی مانند برنج، لوبیا چشم‌بلبلی و کاساوا را نیز افزایش دهند.

برداشت سویا در نزدیکی کامپوس لیندوس در برزیل. افزایش عملکرد محصولات کشاورزی می‌تواند خصوصا به نفع بخش‌های فقیرتر جهان باشد

آماندا پی دی سوزا، دانشمند محصولات زراعی در دانشگاه ایلینوی در اربانا شمپین و نویسنده مطالعه جدید که در مجله‌ی ساینس منتشر شد، گفت با توجه به اینکه طبق پیش‌بینی‌ها، جهان به‌منظور تأمین نیازهای غذایی دهه‌های آینده باید تولید مواد غذایی را به‌شدت افزایش دهد، چنین تغییرات ژنتیکی نویدبخش تأمین آن نیازها است. دکتر دی سوزا گفت: «راه طولانی برای رسیدن به آنجا وجود دارد. اما اکنون وقت آن است که تا حد امکان روی راه‌حل‌های جدید کار کنیم.»

توانایی بشر برای تغذیه‌ی خود تحت فشار قرار دارد، زیرا جوامع انسانی از منابع زمین و آب به روش‌های ناپایدار استفاده می‌کنند. تغییرات اقلیمی که ناشی از فعالیت‌های انسانی است، با افزایش خشکسالی‌ و طوفان‌ و ایجاد اختلال در عرضه مواد غذایی، این مشکل را تشدید می‌کند.

تولید مواد غذایی ازطریق پاک‌سازی زمین‌های جنگلی برای کشت محصولات و چرای دام‌ها، خود یکی از عوامل اصلی گرمایش جهانی است. دانشمندان هشدار می‌دهند که بدون تغییرات عمده در کشاورزی، اهداف دولت‌ها برای کاهش تغییرات اقلیمی درمعرض خطر قرار دارد. با‌این‌حال، حل مشکل سوء تغذیه و گرسنگی در کوتاه‌مدت مستلزم استفاده بیشتر از زمین و منابع دیگر است که می‌تواند گرمایش را تشدید کند.

به همین دلیل است که پیشرفت‌های علمی که می‌توانند به ما کمک کنند تا بدون استفاده از زمین بیشتر، ازطریق بهبود فتوسنتز یا روش‌های دیگر، مواد غذایی بیشتری تولید کنیم، امیدوارکننده هستند. دانیل نپستاد، مدیر اجرایی مؤسسه تحقیقاتی نوآوری زمین گفت: «تمدن بشری در نقطه‌ای قرار دارد که مجبوریم از منابع کمتر، محصول بیشتری به دست آوریم.»

جاناتان فولی، دانشمند اقلیم‌شناس سازمان غیرانتفاعی Project Drawdown که تلاش می‌کند انتشار گازهای گلخانه‌ای را کاهش دهد، گفت راه‌حل‌های دیگری نیز وجود دارد که ممکن است سریع‌تر از مهندسی محصولات کشاورزی عمل کند؛ برای مثال، او به اجتناب از مصرف گوشت یا کاهش ضایعات مواد غذایی اشاره می‌کند.

سویا آماده برداشت در گرینوود در ایالت نبراسکا

در نیمه دوم قرن بیستم، بسیاری از دانشمندان تغییر فتوسنتز (فرایندی که طی آن گیاهان از نور خورشید، آب و کربن‌دی‌اکسید برای تولید اکسیژن و کربوهیدرات‌های غنی از انرژی استفاده می‌کنند) را به‌عنوان مرز بعدی بهبود عملکرد محصولات کشاورزی می‌دیدند. اما تلاش‌های آن‌ها چندان نتیجه‌بخش نبود. برخی از دانشمندان به این باور رسیدند که عوامل زیستی وجود دارد که مانع از این می‌شود که افزایش بازده فتوسنتز در گیاه به رشد اضافی منجر شود.

پژوهش جدید دانشمندان دانشگاه ایلینوی روی خاموشی غیرﻓﺘﻮﺷﯿﻤﯿﺎﯾﯽ تمرکز دارد. خاموشی غیرﻓﺘﻮﺷﯿﻤﯿﺎﯾﯽ مکانیسمی است که از گیاهان دربرابر آسیب خورشید محافظت می‌کند.

وقتی گیاهان در نور تابان خورشید قرار دارند، اغلب نسبت‌به آنچه در فتوسنتز استفاده می‌کنند، انرژی نوری بیشتری دریافت می‌کنند. مکانیسم مذکور به آن‌ها کمک می‌کند تا انرژی اضافی را به‌طور بی‌خطر به شکل گرما دفع کنند. اما پس از اینکه گیاه دوباره زیر سایه قرار می‌گیرد، این مکانیسم سریعا متوقف نمی‌شود. بنابراین، گیاه زمان و انرژی گران‌بهایی را که می‌تواند صرف تولید کربوهیدرات شود، هدر می‌دهد.

تغییرات ژنتیکی که پژوهشگران انجام می‌دهند، به گیاهان کمک می‌کند تا سریع‌تر به سایه سازگار شوند. در گیاهان چندلایه مانند برنج، گندم، ذرت و سویا، از دیدگاه تئوری، این انعطاف‌پذیری اضافی می‌تواند فتوسنتز را در لایه‌های میانی برگ‌ها افزایش دهد که در طول روز دائما بین نور و سایه در نوسان هستند.

در سال ۲۰۱۶، یکی دیگر از نویسندگان مطالعه، استفن پی لانگ از دانشگاه ایلینوی، نشان داد که این تغییرات رشد گیاهان تنباکو را تا ۲۰ درصد افزایش می‌دهد. اما یافته‌های او مورد تردید قرار گرفته است. برخی از دانشمندان می‌گویند این تغییرات ممکن است عملکرد محصول را نه ازطریق بهبود فتوسنتز بلکه با تأثیر روی سطوح هورمون‌ها افزایش داده باشد.

پژوهشگران دیگر استدلال کرده‌اند که اگر فرایند اساسی مانند فتوسنتز بتواند بهبود پیدا کند، مطمئناً انتخاب طبیعی تاکنون این کار را انجام داده است.

دکتر لانگ این مسئله را سوء تعبیری از تکامل می‌داند و توضیح می‌دهد که هدف از تکامل گیاهان این است که تولیدمثل کنند نه اینکه در تولید دانه‌های بزرگ یا بخش‌های دیگری که مورد علاقه انسان‌های گرسنه است، بیشترین بازده را داشته باشند. او گفت: «هدف تکامل این است که ژن‌های خود را به نسل بعد منتقل کنید و بهره‌وری تنها بخش کوچکی از آن است.»

گام بعدی او و همکارانش این بود که تغییرات ژنتیکی خود را در یک محصول غذایی آزمایش کنند. وقتی که آن‌ها در سال ۲۰۲۰ سویای تغییر ژن داده شده را در مزرعه‌ی دانشگاه ایلینوی کشت کردند، عملکرد محصول در هر هکتار در پنج واریته از هشت واریته گیاهان تغییریافته به‌طور متوسط ۲۴/۲ درصد بالاتر از عملکرد گیاهان سویای عادی بود که برای مقایسه کشت شده بودند. (سه واریته دیگر نیز عملکرد بالاتری داشتند، اگرچه تفاوت‌ها ازنظر آماری معنادار نبود). بذرهای گیاهان مهندسی‌شده همچنین ازنظر پروتئین با بذرهای گیاهان عادی قابل مقایسه بودند.

نتایج حاصل از محصول دوم در سال ۲۰۲۱ خیلی قطعی نبود. طوفان موجب شد برگ‌های گیاهان روی هم بریزد و باعث شد برگ‌های پایین‌تر به‌طور دائمی در سایه قرار گیرند.

توماس آر. سینکلر، دانشمند محصولات زراعی در دانشگاه ایالتی کارولینای شمالی که در این مطالعه مشارکت نداشت، گفت قبل از اینکه متقاعد شود که این روش‌ها مؤثر هستند، باید داده‌های آزمایشی بیشتری از سال‌ها و مکان‌های بیشتری ببیند.

دکتر سینکلر درباره این پژوهش مردد است و استدلال می‌کند که تنها راه اثبات‌شده برای افزایش عملکرد محصولات کشاورزی این است که به گیاهان کمک کنیم مواد مغذی بیشتری، مانند نیتروژن را جذب کنند که یکی از عناصر کلیدی بسیاری از کودها است.

تیم دکتر لانگ امیدوار است آزمایش‌های پنج ساله انجام دهد. او همچنین قصد دارد همین تغییرات را در سویای گرمسیری انجام دهد و آن‌ها را در پورتوریکو آزمایش کند. یکی از اهداف تیم او این است که مطمئن شوند بذرهای با عملکرد بالا دردسترس کشاورزان کشورهای درحال توسعه قرار می‌گیرد.