DOI: https://doi.org/10.1098/rstb.2024.0228
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40439296
تاريخ النشر: 2025-05-29
المؤلف: Ron Mittler وآخرون
الموضوع الرئيسي: استجابات النباتات للإجهاد المائي
نظرة عامة
تقدم هذه القسم نظرة عامة على التأثير الكبير لتغير المناخ على الأنظمة الزراعية، مع تسليط الضوء على زيادة تكرار وشدة الضغوط غير الحيوية مثل الحرارة، والجفاف، والفيضانات، والملوحة، والبرد. تؤثر هذه الظروف الضاغطة سلبًا على نمو النباتات، والمحصول، والبقاء، مما يؤدي إلى خسائر اقتصادية كبيرة في الزراعة ويساهم في قضايا اجتماعية خطيرة، بما في ذلك المجاعة والصراع.
تؤكد الحاجة الملحة للبحث، حيث تتطلب التغيرات البيئية السريعة تطوير استراتيجيات وأدوات مبتكرة لتعزيز مقاومة المحاصيل لهذه الضغوط. تناقش هذه القضية الموضوعية دراسات حديثة تستكشف الاستجابات الجزيئية والتمثيلية والفسيولوجية للمحاصيل تجاه الضغوط غير الحيوية، فضلاً عن الإمكانيات للتطبيقات البيوتكنولوجية التي تهدف إلى تحسين إنتاجية المحاصيل في مواجهة تغير المناخ. هذه المقالة هي جزء من القضية الموضوعية الأوسع بعنوان “المحاصيل تحت الضغط: هل يمكننا التخفيف من آثار تغير المناخ على الزراعة وإطلاق ‘ثورة المقاومة’؟”
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الورقة البحثية الضوء على التحديات الحرجة التي تفرضها ظاهرة الاحتباس الحراري وتغير المناخ، والتي زادت من حدة الأحداث الجوية المتطرفة وأثرت سلبًا على إنتاجية الزراعة. لقد زادت تكرار وشدة الجفاف، وموجات الحرارة، وغيرها من الظواهر الجوية المتطرفة بشكل كبير منذ العصر ما قبل الصناعي، مما تفاقم بسبب تدهور ظروف التربة المرتبطة بالممارسات الزراعية الحديثة. هذه الضغوط غير الحيوية مجتمعة، إلى جانب التهديدات الحيوية مثل تفشي الأمراض و infestations الحشرات، تعرض نمو المحاصيل وإنتاجيتها للخطر، مما قد يؤدي إلى عواقب اجتماعية خطيرة، بما في ذلك المجاعة والصراع.
تؤكد الورقة على الحاجة الملحة للعمل لمواجهة التحديات المزدوجة المتمثلة في زيادة الطلب على الغذاء وتراجع الجدوى الزراعية. تحدد استراتيجيتين محتملتين: التخفيف من الآثار السلبية للأنشطة البشرية على البيئة وتعزيز مقاومة المحاصيل لمختلف الضغوط، والتي تُسمى “ثورة المقاومة”. علاوة على ذلك، تنتقد منهجيات البحث التقليدية التي غالبًا ما تعزل عوامل الضغط في بيئات خاضعة للرقابة، داعية بدلاً من ذلك إلى نهج “من الحقل إلى المختبر إلى الحقل”. ستتضمن هذه الطريقة دراسة المحاصيل في بيئاتها الطبيعية لفهم أفضل لاستجاباتها لمجموعة متنوعة من الضغوط، باستخدام تقنيات متقدمة مثل التعلم الآلي وCRISPR لتطوير أصناف محاصيل أكثر مقاومة. تمهد المقدمة الطريق لاستكشاف شامل لهذه المواضيع في الأقسام التالية من الورقة.
نقاش
يؤكد النقاش على الحاجة الملحة لتعزيز مقاومة المحاصيل ضد مختلف الضغوط البيئية، بما في ذلك الحرارة، والجفاف، والملوحة، والجراثيم. تركز الأبحاث الحالية بشكل أساسي على مراحل التطور المحددة، وغالبًا ما تتجاهل العمليات التناسلية الحرجة الضرورية للإنتاج في المحاصيل الرئيسية مثل الأرز، والقمح، والذرة، وفول الصويا. من الجدير بالذكر أن آليات المقاومة في الأنسجة الخضرية تختلف عن تلك الموجودة في الأنسجة التناسلية، خاصة تحت ضغط الحرارة، حيث تتأثر الوظائف التناسلية بشكل أكبر. يدعو المؤلفون إلى نهج أوسع يأخذ في الاعتبار تأثيرات الضغوط المتعددة ودمج الرؤى من الطبيعة، ونجاحات التربية، وتكيف أصناف المحاصيل البرية لتطوير أنظمة زراعية أكثر مقاومة.
علاوة على ذلك، تبرز الورقة ضرورة التعاون بين التخصصات لمعالجة التحديات التي يفرضها تغير المناخ. يشمل ذلك الاستفادة من التقدم في علوم المواد، والهندسة، والذكاء الاصطناعي لتجديد الممارسات الزراعية وتحسين مقاومة المحاصيل. يدعو المؤلفون إلى التحول من المنهجيات الاختزالية إلى فهم أكثر شمولية لمجموعات الضغوط التي تواجهها المحاصيل في ظروف العالم الحقيقي. يؤكدون على أهمية اتخاذ إجراءات في الوقت المناسب، وزيادة التمويل، والتعاون الدولي لضمان أن تتمكن الأنظمة الزراعية من تلبية احتياجات السكان المتزايدين مع التخفيف من آثار تغير المناخ. يختتم المؤلفون بدعوة إلى “ثورة المقاومة” في الزراعة، على غرار “الثورة الخضراء” السابقة، لضمان إنتاج الغذاء في مواجهة التحديات البيئية المتزايدة.
DOI: https://doi.org/10.1098/rstb.2024.0228
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40439296
Publication Date: 2025-05-29
Author(s): Ron Mittler et al.
Primary Topic: Plant responses to water stress
Overview
The section provides an overview of the significant impact of climate change on agroecosystems, highlighting the increased frequency and intensity of abiotic stressors such as heat, drought, flooding, salinity, and cold. These stress conditions adversely affect plant growth, yield, and survival, resulting in substantial economic losses in agriculture and contributing to severe societal issues, including famine and conflict.
The urgency for research is emphasized, as the rapid environmental changes necessitate the development of innovative strategies and tools to enhance crop resilience to these stressors. The theme issue discusses recent studies that explore the molecular, metabolic, and physiological responses of crops to abiotic stresses, as well as the potential for biotechnological applications aimed at improving crop yield in the face of climate change. This article is part of the broader theme issue titled “Crops under stress: can we mitigate the impacts of climate change on agriculture and launch the ‘Resilience Revolution’?”
Introduction
The introduction of this research paper highlights the critical challenges posed by global warming and climate change, which have intensified extreme weather events and adversely affected agricultural productivity. The frequency and severity of droughts, heat waves, and other extreme weather phenomena have increased significantly since the pre-industrial era, exacerbated by deteriorating soil conditions linked to modern agricultural practices. These combined abiotic stresses, alongside biotic threats such as disease outbreaks and insect infestations, jeopardize crop growth and yield, potentially leading to severe societal consequences, including famine and conflict.
The paper emphasizes the urgent need for action to address the dual challenges of rising food demand and declining agricultural viability. It outlines two potential strategies: mitigating the negative impacts of human activities on the environment and enhancing crop resilience to various stresses, termed the “Resilience Revolution.” Furthermore, it critiques traditional research methodologies that often isolate stress factors in controlled environments, advocating instead for a “field-to-lab-to-field” approach. This method would involve studying crops in their natural settings to better understand their responses to multifaceted stressors, utilizing advanced technologies such as machine learning and CRISPR to develop more resilient crop varieties. The introduction sets the stage for a comprehensive exploration of these themes in the subsequent sections of the paper.
Discussion
The discussion emphasizes the urgent need to enhance crop resilience against various environmental stresses, including heat, drought, salinity, and pathogens. Current research predominantly focuses on specific developmental stages, often neglecting the critical reproductive processes essential for yield in major crops like rice, wheat, corn, and soybean. Notably, the mechanisms of resilience in vegetative tissues differ from those in reproductive tissues, particularly under heat stress, where reproductive functions are more adversely affected. The authors advocate for a broader approach that considers the impacts of multiple stressors and the integration of insights from nature, breeding successes, and the adaptation of wild crop cultivars to develop more resilient agricultural systems.
Moreover, the paper highlights the necessity of interdisciplinary collaboration to address the challenges posed by climate change. This includes leveraging advancements in material sciences, engineering, and artificial intelligence to innovate agricultural practices and improve crop resilience. The authors call for a shift from reductionist methodologies to a more holistic understanding of stress combinations that crops face in real-world conditions. They stress the importance of timely action, increased funding, and international cooperation to ensure that agricultural systems can meet the demands of a growing population while mitigating the impacts of climate change. The authors conclude with a call for a “Resilience Revolution” in agriculture, akin to the previous “Green Revolution,” to secure food production in the face of escalating environmental challenges.