DOI: https://doi.org/10.3389/fsci.2024.1416023
تاريخ النشر: 2024-12-05
المؤلف: Michael Palmgren وآخرون
الموضوع الرئيسي: استجابات النباتات للضغط والتحمل
نظرة عامة
تؤكد هذه الفقرة على الحاجة الملحة لإعادة تقييم أهداف الإنتاج الزراعي في ضوء تغير المناخ، مشيرة إلى أن زيادة الغلات قد تكون غير واقعية. بدلاً من ذلك، يدعو المؤلفون إلى الحفاظ على الغلات الحالية لكل منطقة من خلال تربية المحاصيل ذات التحمل المعزز للضغوط غير الحيوية مثل الجفاف، والملوحة، وتغمر المياه، ودرجات الحرارة العالية. يمكن تحقيق ذلك من خلال استراتيجيتين رئيسيتين: إدخال جينات تحمل الضغوط في المحاصيل عالية الغلة الحالية أو تعزيز غلات المحاصيل اليتيمة المتحملة والنباتات البرية.
يبرز المؤلفون أن الاستراتيجية الأولى تتطلب تخفيف القوانين المتعلقة بتقنيات تحرير الجينات والتقدم في الفينوتيب القائم على الخلايا لتحديد جينات تحمل الضغوط بشكل فعال ضمن تجمعات جينات المحاصيل وأقاربها البرية. يعتمد نجاح الاستراتيجية الثانية على القدرة على اختيار جينات الاستئناس التي ستمكن المحاصيل غير المستغلة من تحقيق غلات مقارنة بالأنواع الحديثة. بينما لا يزال من غير المؤكد أي نهج – إعادة البرية أو الاستئناس من جديد – سيكون أكثر فعالية للزراعة المستدامة، يؤكد المؤلفون على الحاجة إلى اتخاذ إجراءات سريعة نظرًا للطبيعة الحرجة للأمن الغذائي في سياق تغير المناخ.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث الضوء على الضعف الكبير للزراعة أمام تغير المناخ، مشددة على الآثار الضارة للاحتباس الحراري على كل من الربحية واستدامة الأنظمة الزراعية. توضح كيف أن تغير المناخ يزيد من الضغوط الحيوية، مثل الأمراض والآفات، بينما يزيد في الوقت نفسه من الضغوط غير الحيوية مثل الجفاف، ودرجات الحرارة القصوى، وملوحة التربة. هذه الضغوط مترابطة وتشكل تحديات خطيرة لأداء المحاصيل، مع توقعات تشير إلى أن تخفيضات الغلة المرتبطة بالجفاف للمحاصيل الرئيسية قد تتجاوز 50% بحلول عام 2050. التأثير الاقتصادي للجفاف كبير، حيث يكلف الزراعة أكثر من 80 مليار دولار سنويًا، بينما يؤدي تغمر المياه بسبب أحداث الأمطار الغزيرة إلى مزيد من خسائر الغلة، خاصة في المحاصيل الأساسية غير الأرز.
بالإضافة إلى ذلك، تناقش الورقة آثار ارتفاع درجات الحرارة الليلية، التي تزداد بمعدل 1.4 مرة عن درجات حرارة النهار، مما يؤدي إلى انخفاض بنسبة 3-6% في غلة المحاصيل مع كل ارتفاع بمقدار 1 درجة مئوية. يُعزى هذا الظاهرة إلى زيادة التنفس الليلي، مما يقلل من توفر المواد الضوئية اللازمة للنمو. كما تشير المقدمة إلى الآثار السلبية لتغير المناخ على الميكروبيوم التربة وتوافر العناصر الغذائية، إلى جانب الممارسات غير المستدامة التي ظهرت منذ الثورة الخضراء، والتي تتميز بالاستخدام المفرط للأسمدة النيتروجينية والفوسفورية. أدت هذه الممارسات إلى تقليل كفاءة استخدام العناصر الغذائية في ظل ظروف الضغط وتسبب في إخصاب مفرط للأنظمة البيئية المائية، مما يبرز الحاجة الملحة لممارسات زراعية مستدامة في مواجهة تغير المناخ.
نقاش
تسلط فقرة النقاش في ورقة البحث الضوء على التحديات الكبيرة التي يطرحها تغير المناخ على الزراعة، خاصة من خلال زيادة أحداث الجفاف والحرارة، التي كانت في ارتفاع منذ السبعينيات. تتطلب هذه التغيرات المناخية اعتمادًا أكبر على الري، كما يتضح من الزيادة الكبيرة في استهلاك المياه الزراعية العالمية، التي نمت تقريبًا ستة أضعاف على مدار القرن الماضي. تؤكد الورقة أنه بينما يمكن أن تعزز أنظمة الري الإنتاجية الزراعية، فإنها تؤدي أيضًا إلى ملوحة التربة بسبب استخدام مصادر المياه ذات الجودة الرديئة. تهدد هذه الملوحة صلاحية المحاصيل، حيث تم تربية العديد من المحاصيل الحديثة لاستبعاد الملح، مما يؤدي إلى تقليل القدرة على التكيف مع الظروف المالحة.
يجادل المؤلفون بضرورة ملحة لتربية المحاصيل ذات التحمل المعزز للضغوط غير الحيوية لتلبية الطلب الغذائي المتوقع الناتج عن زيادة عدد السكان وثرائهم. تصل الممارسات الزراعية الحالية إلى سقف غلة للمحاصيل الرئيسية، وتتناقص إمكانية توسيع الأراضي القابلة للزراعة بسبب التحضر وتدهور الأراضي. تقترح الورقة أن الطرق التقليدية للتربية قد لا تكون كافية، حيث فقدت التنوع الجيني اللازم لتحمل الضغوط خلال الاستئناس. تُقترح استراتيجيات مثل “إعادة البرية”، التي تتضمن إعادة إدخال جينات من الأقارب البرية، واستخدام تحليلات الجينوم الشامل لتحديد واستعادة الصفات المفقودة، كطرق قابلة للتطبيق لتعزيز مرونة المحاصيل ضد الضغوط غير الحيوية. بشكل عام، يؤكد المؤلفون أن معالجة هذه التحديات تتطلب كل من الابتكار العلمي في ممارسات التربية والعمل السياسي لإدارة العوامل الاجتماعية والاقتصادية التي تؤثر على إنتاج الغذاء.
DOI: https://doi.org/10.3389/fsci.2024.1416023
Publication Date: 2024-12-05
Author(s): Michael Palmgren et al.
Primary Topic: Plant Stress Responses and Tolerance
Overview
The section emphasizes the urgent need to reassess agricultural output goals in light of climate change, suggesting that merely increasing yields may be unrealistic. Instead, the authors advocate for maintaining current yields per area by breeding crops with enhanced tolerance to abiotic stresses such as drought, salinity, waterlogging, and high temperatures. This can be achieved through two primary strategies: introducing stress tolerance genes into existing high-yield crops or enhancing the yields of tolerant orphan crops and wild plants.
The authors highlight that the first strategy necessitates a relaxation of regulations surrounding gene editing technologies and advancements in cell-based phenotyping to effectively identify stress tolerance genes within crop gene pools and their wild relatives. The success of the second strategy hinges on the ability to select domestication genes that would enable underutilized crops to achieve yields comparable to modern cultivars. While it remains uncertain which approach—rewilding or de novo domestication—will prove more effective for sustainable agriculture, the authors stress the need for prompt action given the critical nature of food security in the context of climate change.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the significant vulnerabilities of agriculture to climate change, emphasizing the detrimental effects of global warming on both the profitability and sustainability of agricultural systems. It outlines how climate change exacerbates biotic stresses, such as diseases and pests, while simultaneously increasing abiotic stresses like drought, extreme temperatures, and soil salinization. These stresses are interconnected and pose severe challenges to crop performance, with predictions indicating that drought-related yield reductions for major crops could exceed 50% by 2050. The economic impact of drought is substantial, costing agriculture over $80 billion annually, while waterlogging due to heavy rainfall events leads to further yield losses, particularly in non-rice staple crops.
Additionally, the paper discusses the implications of rising nighttime temperatures, which are increasing at a rate 1.4 times that of daytime temperatures, resulting in a 3-6% decrease in crop yield for every 1°C rise. This phenomenon is attributed to heightened nighttime respiration, which diminishes the availability of photoassimilates necessary for growth. The introduction also notes the adverse effects of climate change on the soil microbiome and nutrient availability, alongside the unsustainable practices that have emerged since the Green Revolution, characterized by excessive nitrogen and phosphorus fertilization. These practices have led to reduced nutrient use efficiency under stress conditions and significant eutrophication of aquatic ecosystems, highlighting the urgent need for sustainable agricultural practices in the face of climate change.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the significant challenges that climate change poses to agriculture, particularly through increasing drought and heat events, which have been on the rise since the 1970s. These climatic changes necessitate a greater reliance on irrigation, as evidenced by the dramatic increase in global agricultural water consumption, which has grown nearly six-fold over the past century. The paper emphasizes that while irrigation systems can enhance agricultural productivity, they also lead to soil salinization due to the use of poor-quality water sources. This salinization threatens crop viability, as many modern crops have been bred to exclude salt, resulting in reduced adaptability to saline conditions.
The authors argue for the urgent need to breed crops with enhanced abiotic stress tolerance to meet the projected food demand driven by a growing and wealthier population. Current agricultural practices are reaching a yield ceiling for major crops, and the potential for expanding arable land is diminishing due to urbanization and land degradation. The paper suggests that traditional breeding methods may not suffice, as the genetic diversity necessary for stress tolerance has been lost during domestication. Strategies such as “rewilding,” which involves reintroducing genes from wild relatives, and utilizing pangenome analyses to identify and restore lost traits, are proposed as viable approaches to enhance crop resilience against abiotic stresses. Overall, the authors stress that addressing these challenges requires both scientific innovation in breeding practices and political action to manage the socio-economic factors influencing food production.