نجات کشاورزی به چیزی بیشتر از یک ژن نیاز دارد

«اسون بتکی» (Sven Batke)، دانشیار علوم گیاهی و معاون پژوهش و تبادل دانش در «دانشگاه اج‌هیل» (Edge Hill University) بریتانیا، در حوزه علوم محصولات زراعی، بوم‌شناسی و فیزیولوژی گیاهان، تغییر اقلیم و باغبانی حفاظت‌شده پژوهش می‌کند. او دکترای علوم گیاهی خود را از «کالج ترینیتی دوبلین»  دریافت کرده و ریاست کنسرسیوم نوآوری گلخانه‌ها را نیز بر عهده دارد.

دکتر اسون بتکی در گفت‌وگو با خبرنگار آناتک، درباره سازوکارهای تاب‌آوری گیاهان در برابر گرما و خشکی، ظرفیت گیاهان گرمسیری برای کمک به اصلاح محصولات زراعی و نقش تنوع ژنتیکی و محصولات کمترشناخته‌شده در حفظ امنیت غذایی جهان توضیح می‌دهد.

دکتر اسون بتکی ( Sven Batke)

وقتی می‌گوییم یک گیاه «در برابر اقلیم تاب‌آوری بیشتری دارد»، این تاب‌آوری شامل چه ویژگی‌های زیستی می‌شود؟

ویژگی‌های متعددی که با یکدیگر در ارتباط هستند، در تاب‌آوری گیاهان در برابر اقلیم نقش دارند، اما بخش بزرگی از این ویژگی‌ها به نحوه مدیریت آب و دما توسط گیاه مربوط می‌شود؛ یعنی اینکه گیاه تا چه اندازه می‌تواند آب را از طریق ریشه‌هایش جذب کند، آن را انتقال دهد و ذخیره کند و از دست رفتن آب از طریق برگ‌هایش را کنترل کند.

برای مثال، گیاهان ممکن است از نظر تعداد، اندازه و عملکرد روزنه‌ها با یکدیگر تفاوت داشته باشند؛ روزنه‌ها منافذ بسیار کوچکی روی برگ‌ها هستند که تبادل گازها و از دست رفتن آب را تنظیم می‌کنند. از نظر تئوری می‌توانیم با اصلاح نژاد یا مهندسی، محصولات زراعی را برای تغییر این ویژگی‌ها پرورش دهیم، اما تقریبا همیشه یک بده‌بستان وجود دارد. برای مثال، بسته شدن روزنه‌ها باعث حفظ آب می‌شود، اما در عین حال جذب دی‌اکسیدکربن را محدود می‌کند و بنابراین می‌تواند فتوسنتز و رشد را کاهش دهد.

اسون بتکی: طبیعت پیش از این راهکارهای قابل‌توجهی برای مقابله با تنش گرما و کم‌آبی ایجاد کرده است و شناخت این سازگاری‌ها می‌تواند به ما کمک کند ویژگی‌ها یا سازوکارهایی را شناسایی کنیم که به‌طور بالقوه بتوان آنها را در محصولات زراعی به کار گرفت

به همین دلیل، تاب‌آوری واقعا به پیدا کردن یک «ژن مرتبط با مقاومت در برابر خشکسالی» یا یک «ژن مرتبط با مقاومت در برابر گرم» مربوط نمی‌شود. مسئله، یافتن ترکیبی از ویژگی‌هاست که به گیاه اجازه دهد شرایط تنش‌زا را پشت سر بگذارد و در عین حال عملکرد و کیفیت خود را حفظ کند.

جالب اینکه تولیدکنندگان محصولات کشاورزی از قبل نیز به‌طور عمدی تنش ایجاد می‌کنند. در گلخانه‌ها و دیگر محیط‌های کنترل‌شده، تغییرات دقیق و زمان‌بندی‌شده در آبیاری، دما یا تغذیه می‌تواند گیاهان را ترغیب کند که از رشد رویشی به سمت گل‌دهی یا تولید میوه تغییر مسیر دهند. مهارت اصلی در این است که بدانیم چه زمانی باید به گیاه فشار وارد کرد و چه زمانی باید از آن محافظت کرد.

تغییر اقلیم این کار را به‌طور فزاینده‌ای دشوار می‌کند، زیرا ممکن است محدوده زمانی و محیطی که در آن محصولات زراعی عملکرد بهینه دارند، باریک‌تر شود یا کمتر در دسترس باشد. دوره‌های طولانی‌تر دمای بیش از حد، تابش شدید یا کمبود آب می‌تواند گیاهان را از یک پاسخ تنشی قابل مدیریت فراتر ببرد و وارد مرحله آسیب واقعی فیزیولوژیک کند.

آیا می‌توان این ویژگی‌ها را به‌سادگی از یک گونه به گونه دیگر منتقل کرد؟

انتقال این ویژگی‌ها بین گونه‌ها در برخی موارد از طریق اصلاح نژاد متعارف، ویرایش ژن یا مهندسی ژنتیک امکان‌پذیر است، اما به‌ندرت کار ساده‌ای است. ویژگی‌های گیاهان به‌صورت سامانه‌های فیزیولوژیک به‌هم‌پیوسته عمل می‌کنند؛ بنابراین تغییر یک جزء می‌تواند در بخش دیگری پیامدهای ناخواسته‌ای ایجاد کند.

 آیا گیاهان مناطق گرمسیری می‌توانند به مقاوم‌تر شدن گندم، سیب‌زمینی و برنج در برابر گرما و خشکی کمک کنند؟

قطعا. طبیعت پیش از این راهکارهای قابل‌توجهی برای مقابله با تنش گرما و کم‌آبی ایجاد کرده است و شناخت این سازگاری‌ها می‌تواند به ما کمک کند ویژگی‌ها یا سازوکارهایی را شناسایی کنیم که به‌طور بالقوه بتوان آنها را در محصولات زراعی به کار گرفت.

یک نمونه خوب، فتوسنتز است. بیشتر گیاهان ــ حدود ۸۰ درصد گیاهان ــ از فتوسنتز C3 استفاده می‌کنند که محصولات عمده‌ای مانند گندم، برنج و سیب‌زمینی را نیز شامل می‌شود. گیاهان C4 ــ از جمله ذرت، سورگوم و نیشکر ــ سازوکاری را تکامل داده‌اند که دی‌اکسیدکربن را در اطراف دستگاه فتوسنتزی متمرکز می‌کند. این سازوکار باعث می‌شود فتوسنتز در دماهای بالا کارآمدتر باشد و می‌تواند بهره‌وری مصرف آب را بهبود دهد.

گیاهان CAM این سازگاری را حتی یک گام جلوتر برده‌اند. بسیاری از گیاهان گوشتی، از جمله کاکتوس‌ها و آگاوها، روزنه‌های خود را عمدتا در شب باز می‌کنند؛ زمانی که دما خنک‌تر و رطوبت اغلب بیشتر است. آنها دی‌اکسیدکربن را ذخیره می‌کنند و در طول روز از آن برای فتوسنتز استفاده می‌کنند، در حالی که روزنه‌هایشان بسته باقی می‌ماند و در نتیجه از دست رفتن آب به‌طور چشمگیری کاهش می‌یابد.

به همین دلیل، پژوهشگران در حال بررسی این موضوع هستند که آیا می‌توان در نهایت جنبه‌هایی از فتوسنتز C4 یا CAM را در محصولات C3 مهندسی کرد یا نه. برای مثال، تحقیقات قابل‌توجهی درباره ایجاد ویژگی‌های بیشتر شبیه C4 در برنج انجام شده است. اما اینها سامانه‌های پیچیده‌ای هستند که آناتومی، بیوشیمی و تنظیم ژن را دربرمی‌گیرند؛ بنابراین کار بسیار دشوارتر از انتقال ساده یک یا دو ژن است.

یک امکان دیگر نیز وجود دارد: به جای اینکه همیشه محصولات زراعی موجود خود را با اقلیم‌های جدید سازگار کنیم، ممکن است در آینده بیشتر به سراغ محصولاتی برویم که از ابتدا به‌طور طبیعی با آن شرایط سازگار هستند. برای مثال، سورگوم و ارزن ممکن است در مناطقی که گرما و محدودیت آب، کشت محصولات متداول را دشوارتر می‌کند، جذابیت بیشتری پیدا کنند.

آینده تولید غذا بیشتر به سمت محیط‌های کنترل‌شده می‌رود یا سازگار کردن محصولات زراعی با شرایط فضای باز؟

ما همیشه به کشاورزی در فضای باز نیاز خواهیم داشت، صرفا به این دلیل که مواد غذایی اصلی باید در مقیاسی عظیم تولید شوند. دشوار است تصور کنیم محصولاتی مانند گندم، ذرت یا برنج بتوانند در مزارع عمودی، با هزینه‌ای که از نظر اقتصادی توجیه‌پذیر باشد، در مقیاسی نزدیک به نیاز جهانی تولید شوند.

با این حال، فکر می‌کنم شاهد ترکیبی بسیار متنوع‌تر از سامانه‌های تولید خواهیم بود. گلخانه‌ها و دیگر سامانه‌های حفاظت‌شده برای محصولات با ارزش اقتصادی بالا و در مناطقی که شرایط اقلیمی تولید قابل‌اعتماد در فضای باز را دشوار می‌کند، اهمیت فزاینده‌ای پیدا خواهند کرد. مزارع عمودی نیز احتمالا در جایگاه‌های تخصصی‌تری مورد استفاده قرار خواهند گرفت؛ یعنی جاهایی که سطح بسیار بالای کنترل محیطی آنها، هزینه انرژی و زیرساخت مورد نیاز را توجیه کند.

بهبود ژنتیکی نیز به همان اندازه اهمیت خواهد داشت. ما به محصولاتی نیاز خواهیم داشت که گرما، خشکی، شوری و فشارهای نوظهور ناشی از آفات و بیماری‌ها را تحمل کنند، اما فناوری به‌تنهایی نمی‌تواند سامانه غذایی جهان را تاب‌آور کند.

یکی از نگرانی‌ها، افزایش تخصصی‌شدن جغرافیایی است. تولید محصولات خاص در مناطقی که شرایط برای آنها بهینه است، می‌تواند از نظر اقتصادی کارآمد باشد، اما در عین حال وابستگی ایجاد می‌کند. این سامانه تا زمانی به‌خوبی کار می‌کند که مسیرهای تجاری، روابط سیاسی، منابع انرژی و زیرساخت حمل‌ونقل پایدار باقی بمانند. وقتی یکی از این عوامل از کار بیفتد، اختلال می‌تواند در سراسر سامانه غذایی زنجیره‌وار گسترش پیدا کند.

ما همین حالا نیز در سراسر جهان حجم عظیمی از غذا تولید می‌کنیم. چالش صرفا تولید بیشتر نیست، بلکه بهبود محل تولید غذا، افزایش کارایی توزیع آن و کاهش میزان غذاهایی است که در طول زنجیره تأمین از بین می‌روند یا هدر می‌روند.

کدام محصولات غذایی مهم جهان از نظر زیستی بیشترین آسیب‌پذیری را در برابر تنش‌های اقلیمی مانند گرما و خشکی دارند و چرا؟

اسون بتکی: ما همیشه به کشاورزی در فضای باز نیاز خواهیم داشت، صرفا به این دلیل که مواد غذایی اصلی باید در مقیاسی عظیم تولید شوند

برخی از آسیب‌پذیرترین محصولات، آنهایی هستند که دامنه تحمل محیطی نسبتا محدودی دارند، به‌ویژه زمانی که دمای بالا با مراحل حیاتی رشد مانند گل‌دهی هم‌زمان شود.

گندم نمونه خوبی است. گرما در زمان گل‌دهی و پر شدن دانه می‌تواند باروری را کاهش دهد، دوره پر شدن دانه را کوتاه کند و عملکرد محصول را به میزان قابل‌توجهی کاهش دهد. برنج نیز به‌ویژه در حوالی مرحله گل‌دهی به دمای بالا حساس است، زیرا گرما می‌تواند قابلیت حیات گرده را کاهش دهد و در نتیجه تشکیل دانه را محدود کند.

سیب‌زمینی نمونه جالب دیگری است. این گیاه در شرایط نسبتا خنک تکامل یافته و دمای بالا می‌تواند در تشکیل و رشد غده‌ها اختلال ایجاد کند. گیاه ممکن است همچنان به تولید شاخ‌وبرگ ادامه دهد، در حالی که کربن کمتری را به غده‌هایی اختصاص می‌دهد که ما در نهایت برداشت می‌کنیم.

نکته مهم این است که آسیب‌پذیری اقلیمی صرفا به این موضوع مربوط نمی‌شود که آیا یک گیاه زنده می‌ماند یا نه. ممکن است یک محصول کاملا سالم به نظر برسد، در حالی که عملکرد یا کیفیت آن به میزان قابل‌توجهی کاهش یافته باشد.

به همین علت، من ترجیح می‌دهم به جای اینکه صرفا درباره حدود بقای یک محصول صحبت کنم، از مفهوم «محدوده اقلیمی تولیدی» آن استفاده کنم. از نظر امنیت غذایی، پرسش مهم این نیست که «آیا این گیاه می‌تواند دمای ۳۵ درجه سانتی‌گراد را تحمل کند؟» بلکه این است که «آیا این گیاه همچنان می‌تواند در دمای ۳۵ درجه سانتی‌گراد، به‌طور قابل‌اعتماد محصولی با توجیه اقتصادی تولید کند؟».

آیا تنوع ژنتیکی و رده‌بندی گیاهان در «بیمه کردن» تولید جهانی غذا در برابر بحران‌های اقلیمی نقشی دارند؟ آیا از دست رفتن خویشاوندان وحشی گونه‌های زراعی یک خطر واقعی است؟

قطعا. تنوع ژنتیکی در واقع نوعی بیمه‌نامه زیستی است. هرچه تنوع موجود در یک محصول زراعی و خویشاوندان وحشی آن بیشتر باشد، ذخیره ویژگی‌هایی که در صورت تغییر شرایط می‌توانیم به‌طور بالقوه از آنها استفاده کنیم نیز بزرگ‌تر خواهد بود. خویشاوندان وحشی ممکن است دارای ویژگی‌هایی باشند که در جریان اهلی‌سازی از بین رفته‌اند، زیرا در طول تاریخ، محصولات زراعی را عمدتا بر اساس ویژگی‌هایی مانند عملکرد، یکنواختی، طعم و سهولت برداشت انتخاب کرده‌ایم.

این جمعیت‌های وحشی ممکن است حاوی ژن‌های ارزشمندی برای تحمل خشکی، تحمل شوری، تحمل گرما یا مقاومت در برابر آفات و بیماری‌ها باشند.

یک نمونه کلاسیک، استفاده از خویشاوندان وحشی سیب‌زمینی در برنامه‌های اصلاح نژادی برای وارد کردن مقاومت به بیماری‌هایی مانند بلایت دیررس است. خویشاوندان وحشی گندم، برنج و گوجه‌فرنگی نیز به همین ترتیب منابع مهمی از تنوع ژنتیکی سودمند هستند.

به همین دلیل، از دست رفتن خویشاوندان وحشی محصولات زراعی یک خطر واقعی برای امنیت غذایی است. بنابراین، بانک‌های بذر و دیگر برنامه‌های حفاظت برون‌جا اهمیت بسیار زیادی دارند، اما نمی‌توانند به‌طور کامل جایگزین حفاظت در طبیعت شوند. جمعیت‌های وحشی همچنان در واکنش به محیط‌های در حال تغییر، آفات و بیماری‌ها تکامل پیدا می‌کنند. در حالت ایده‌آل، ما به هر دو نیاز داریم: حفظ مواد ژنتیکی در بانک‌های بذر و در عین حال حفاظت از جمعیت‌های زنده در زیستگاه‌های طبیعی آنها.

کدام‌یک اهمیت بیشتری دارد: اصلاح محصولات زراعی برای افزایش تاب‌آوری یا تغییر روش‌های کشت؟ آیا این رویکردها می‌توانند در کنار یکدیگر به کار گرفته شوند؟

ما به هر دو نیاز داریم و من معتقدم بیشترین تاب‌آوری از ترکیب این دو حاصل می‌شود. اصلاح نژادی می‌تواند محصولاتی در اختیار ما قرار دهد که دماهای بالاتر را تحمل کنند، آب را کارآمدتر مصرف کنند یا در برابر آفات و بیماری‌های خاص مقاوم باشند. اما در عین حال، می‌توانیم محیطی را که این محصولات در آن رشد می‌کنند نیز به‌طور چشمگیری بهبود دهیم.

برای مثال، در گلخانه‌ها، بهبود پوشش شیشه‌ای، سایه‌اندازی، تهویه، آبیاری، جمع‌آوری آب باران، نورپردازی، گرمایش و سرمایش می‌تواند شرایطی را که یک محصول تجربه می‌کند، به‌طور چشمگیری تغییر دهد. گاهی اوقات، بهبود محیط کشت می‌تواند مزیتی بسیار بزرگ‌تر و سریع‌تر از انتظار برای تولید یک رقم جدید ایجاد کند.

از سوی دیگر، ایجاد یک رقم فوق‌العاده تاب‌آور ارزش چندانی ندارد اگر کشاورزان زیرساخت، مهارت یا توان اقتصادی لازم برای استفاده مؤثر از آن را نداشته باشند.

بنابراین، من این موضوع را تقابل میان ژنتیک و فناوری نمی‌بینم. تاب‌آوری از ترکیب ژنتیک، فیزیولوژی گیاه، زیرساخت، دانش کشاورز و مدیریت حاصل می‌شود. خطر این است که به دنبال یک راه‌حل فناورانه واحد برای مشکلی باشیم که اساسا یک مسئله سامانه‌ای است.

آیا محصولات «فراموش‌شده» یا کمتر مورد استفاده‌ای وجود دارند که به‌طور طبیعی در برابر تغییر اقلیم تاب‌آوری بیشتری داشته باشند و بتوانند به گزینه‌های جایگزین یا مکمل برای محصولات اصلی غذایی تبدیل شوند؟

بله و فکر می‌کنم این حوزه‌ای بسیار هیجان‌انگیز است.

سورگوم و ارزن‌ها نمونه‌های آشکاری هستند. آنها در حال حاضر در بسیاری از مناطق آفریقا و آسیا محصولات مهمی محسوب می‌شوند و عموما گرما و محدودیت آب را بهتر از برخی غلات غالب جهان تحمل می‌کنند.

حبوباتی مانند لوبیای چشم‌بلبلی نیز جالب هستند، زیرا می‌توانند در شرایط نسبتا گرم و خشک عملکرد داشته باشند، در حالی که پروتئین فراهم می‌کنند و از طریق تثبیت زیستی نیتروژن، به افزایش نیتروژن قابل استفاده در خاک کمک می‌کنند.

همچنین بسیاری از محصولات مهم منطقه‌ای وجود دارند ــ از جمله فونیو در غرب آفریقا، تف در اتیوپی و آمارانت در بخش‌هایی از جهان ــ که در مقایسه با گندم، ذرت یا برنج، پژوهش و سرمایه‌گذاری بین‌المللی بسیار کمتری دریافت می‌کنند.

من لزوما این محصولات را جایگزین محصولات اصلی غذایی نمی‌دانم. ارزش واقعی آنها ممکن است در تنوع‌بخشی باشد. یک سامانه غذایی که به تعداد بسیار اندکی از گونه‌های زراعی وابسته است، ذاتا آسیب‌پذیرتر از سامانه‌ای است که از مجموعه گسترده‌تری از محصولات با تحمل‌های محیطی متفاوت استفاده می‌کند.

چالش فقط زیستی نیست. مصرف‌کنندگان باید این محصولات را بخواهند، کشاورزان باید بازارهای سودآوری برای آنها داشته باشند و زیرساخت‌های فرآوری و زنجیره تأمین نیز باید وجود داشته باشد. بنابراین، معرفی یک محصول تاب‌آور به همان اندازه که یک چالش در علوم گیاهی است، یک چالش اجتماعی ـ اقتصادی نیز محسوب می‌شود.

اگر می‌توانستید برای ده سال آینده تنها یک اولویت پژوهشی را در علوم گیاهی جهان انتخاب کنید تا به حفاظت از امنیت غذایی جهانی کمک کند، چه اولویتی را انتخاب می‌کردید؟

من توسعه سامانه‌های غذایی محلی و منطقه‌ای تاب‌آورتر را در اولویت قرار می‌دادم، به جای اینکه صرفا بر به حداکثر رساندن تولید جهانی تمرکز کنیم.

استدلال قابل درکی وجود دارد که محصولات زراعی باید در هر جایی که می‌توان آنها را با بیشترین کارایی تولید کرد، کشت شوند و سپس در سطح بین‌المللی به تجارت برسند. این رویکرد از نظر اقتصادی می‌تواند منطقی باشد، اما از نظر زیستی و راهبردی می‌تواند آسیب‌پذیری ایجاد کند. اگر تولید در تعداد محدودی از مناطق متمرکز شود، خشکسالی، سیل، شیوع بیماری، درگیری یا اختلال تجاری در یک منطقه می‌تواند پیامدهایی در هزاران کیلومتر دورتر داشته باشد.

اسون بتکی: امنیت غذایی از یک محصول کامل یا یک سامانه کشاورزی کامل به دست نخواهد آمد

اگر یک مسیر تأمین یا یک منطقه تولید از کار بیفتد، آیا بخش دیگری از سامانه می‌تواند به‌اندازه کافی سریع گسترش پیدا کند یا خود را سازگار کند تا این کمبود را جبران کند؟

علوم گیاهی می‌تواند نقش مهمی در ایجاد این انعطاف‌پذیری داشته باشد؛ از طریق ارقام زراعی تاب‌آور، تنوع بیشتر محصولات، استفاده بهتر از آب و مواد مغذی، کشت حفاظت‌شده در موارد مناسب و سامانه‌های تولیدی که بر اساس شرایط محیطی محلی طراحی شده‌اند.

در نهایت، امنیت غذایی از یک محصول کامل یا یک سامانه کشاورزی کامل به دست نخواهد آمد. امنیت غذایی حاصل وجود تنوع زیستی، فناورانه و جغرافیایی کافی خواهد بود؛ به‌گونه‌ای که وقتی یک بخش از سامانه از کار می‌افتد، بخش‌های دیگر بتوانند واکنش نشان دهند.