Διαφορετικότητα σε μονοκαλλιέργεια; Διαφοροποιήσεις σε ένα είδος βοηθούν την επιβίωσή του και τη βελτίωση όλου του οικοσυστήματος

Η σύγχρονη, φιλική στη μηχανική επεξεργασία, γεωργία κυριαρχείται από μονοκαλλιέργειες. Μία και μόνη ποικιλία (ένας γενότυπος ενός γεωργικού είδους) καλλιεργείται σε μεγάλες εκτάσεις. Ευνοημένες ποικιλίες βελτιστοποιούνται για υψηλές αποδόσεις και συχνά περιέχουν μόνο λίγες ενώσεις φυσικής άμυνας των φυτών. Δυστυχώς, αυτές οι εκτεταμένες μονοκαλλιέργειες από πανομοιότυπα φυτά μπορεί να καταστήσουν άγονη μια οικολογική περιοχή και να προκαλέσουν μόνιμη βλάβη στο οικοσύστημα, ειδικά όταν συνδυάζονται με γενικευμένη χρήση λιπασμάτων και φυτοφαρμάκων. Οι επιστήμονες στο Ινστιτούτο Max Planck για τη Χημική Οικολογία στην Jena, στη Γερμανία, έδειξαν σε πειράματα πεδίου, με φυτά Nicotiana attenuata, ότι είναι αρκετό να μεταβληθεί η έκφραση ορισμένων αμυντικών γονίδιων σε μεμονωμένα φυτά για να προστατευθεί το σύνολο του πληθυσμού και να αλλάξει η ποικιλομορφία του οικοσυστήματος ως σύνολο.

Ο όρος βιοποικιλότητα χρησιμοποιείται συχνά ως συνώνυμο για την ποικιλότητα των ειδών. Ωστόσο, αυτό δεν είναι απολύτως σωστό, επειδή εκτός από την ποικιλομορφία των διαφόρων φυτικών και ζωικών ειδών, ο όρος περιλαμβάνει επίσης παραλλαγές εντός του ίδιου είδους. Πόσο καλά ένα φυτό αναπτύσσεται, κατά πόσο προσαρμόζεται στο περιβάλλον του ή ανταπεξέρχεται στις κλιματικές συνθήκες και τους φυσικούς εχθρούς, εξαρτάται από τα γονίδιά του. Τι κάνει ένα συγκεκριμένο γονίδιο σε ένα φυτό, από την άλλη πλευρά, εξαρτάται από το πού και πώς το φυτό ζει: απομονωμένο, σε πυκνούς πληθυσμούς, στο κέντρο ή στην άκρη του πληθυσμού, σε ποιο περιβάλλον. Αν λάβουμε υπόψη ότι τα φυτά μπορεί να έχουν περίπου 30.000 γονίδια, τα οποία μπορούν να εκφραστούν πολύ διαφορετικά, ανάλογα με το χρόνο και τον τόπο ή άλλες μεταβλητές συνθήκες, καθίσταται σαφές ότι είναι δυνατός ένας αμέτρητος αριθμός συνδυασμών μόνο ως αποτέλεσμα της μεταβλητής γονιδιακής έκφρασης, ακόμη και μέσα σε ένα και μόνο είδος.

Η ομάδα του προγράμματος «Ecological functions of plant secondary metabolites» με επικεφαλής την Meredith Schuman, η οποία συνδέεται με το Γερμανικό Κέντρο Ολοκληρωμένης Βιοποικιλότητας (iDiv) Halle-Jena-Leipzig, μελετά την ποικιλομορφία αυτών των συνδυασμών σε λειτουργικά διαφορετικά, αλλά γενετικά σχεδόν πανομοιότυπα φυτά. Οι ερευνητές χρησιμοποιούν το φυτό του καπνού Nicotiana attenuata. Αυτό το άγριο είδος καπνού, που ονομάζεται επίσης καπνός κογιότ, χρησιμοποιεί εκπληκτικά ευέλικτους και εξελιγμένους μηχανισμούς άμυνας για να αποτρέπει τα φυτοφάγα ζώα. Έχουν ήδη μελετηθεί μεγάλα τμήματα του γονιδιώματός του.

Για τα πειράματά τους, η Meredith Schuman και οι συνεργάτες της, χρησιμοποίησαν φυτά καπνού, τα οποία είχαν υποστεί μεταβολή στην έκφραση ορισμένων γονιδίων άμυνας, συγκεκριμένα των LOX2 , LOX3 και TPS10. Αυτά τα τρία γονίδια μεσολαβούν σημαντικά στις άμεσες (LOX3) και έμμεσες άμυνες (LOX2, LOX3 και TPS10). Με την «αποσιώπηση» ή την υπερ-έκφραση αυτών των γονιδίων σε διαφορετικούς συνδυασμούς, οι επιστήμονες παρήγαγαν φυτά που ήταν γενετικά πανομοιότυπα, με εξαίρεση το χειρισμό αυτών των συγκεκριμένων γονιδίων και διέφεραν σημαντικά όσον αφορά μια σημαντική οικολογική λειτουργία: την ικανότητα να υπερασπιστούν τους εαυτούς τους.

Οι έμμεσες άμυνες των φυτών καπνού περιλαμβάνουν πτητικά που λειτουργούν ως μόρια-αγγελιοφόροι ενημερώνοντας τα αρπακτικά ζώα σχετικά με την παρουσία των φυτοφάγων. Τα αρπακτικά μπορούν στη συνέχεια να βρουν το θήραμά τους πιο εύκολα και τα φυτά μπορούν να απαλλαγούνε από τους εχθρούς τους. Αυτά τα μόρια-οσμής μπορεί να ταξιδέψουν σε μεγάλες αποστάσεις, για αυτό και ολόκληρη η γειτονιά θα μπορούσε να επωφεληθεί από τα αρπακτικά ζώα που προσελκύονται, ακόμη και αν τα πτητικά τα παράγει ένα μόνο φυτό. «Παραλλαγές σε ένα μόνο από τα γονίδια των φυτών μπορεί να έχουν σοβαρές επιπτώσεις για ολόκληρο τον πληθυσμό των φυτών, όταν αυτά τα ίδια τα γονίδια έχουν σημαντικές οικολογικές λειτουργίες», εξηγεί η Meredith Schuman.

Στο φυσικό τους βιότοπο στην έρημο της Γιούτα, στις ΗΠΑ, μαζί με τα αυτοφυή φυτά καπνού, φυτεύτηκαν σε μικρούς πληθυσμούς τα φυτά που είχαν υποστεί αλλαγή στην έκφραση των τριών γονιδίων άμυνας και παρακολουθήθηκαν κατά τη διάρκεια μιας χρονικής περιόδου. Οι ερευνητές βρήκαν ότι οι πληθυσμοί των φυτοφάγων και οι φυσικοί τους εχθροί άλλαξαν γειτονιά και φυτά, ανάλογα με τον συνδυασμό των λειτουργικά διαφοροποιημένων φυτών. Ωστόσο, οι αλλαγές αυτές συχνά παρατηρήθηκαν σε ολόκληρους τους πληθυσμούς και όχι σε μεμονωμένα φυτά.

Μία από τις παρατηρήσεις των επιστημόνων προκάλεσε πραγματική έκπληξη: Στην περιοχή των φυτών με την έκφραση του TPS10, τα οποία παράγουν το πτητικό trans-α-bergamotene (TAB) που προσελκύει τα αρπακτικά ζώα, υπερδιπλασιάστηκε η προσβολή των φυτών από το σκαθάρι Trichobaris mucorea, του οποίου οι προνύμφες ζουν κρυμμένες από τα αρπακτικά ζώα μέσα στο βλαστό. «Το αποτέλεσμα αυτό δείχνει πως αυτά τα μόρια-φορείς της πληροφορίας μπορεί να είναι δίκοπο μαχαίρι», λέει ο Ian Baldwin, διευθυντής του Τμήματος Μοριακής Οικολογίας και πρωτοπόρος της οικολογικής γενετικής. «Ωφελούν τα φυτά, όταν αυτά προσελκύσουν αρπακτικά, αλλά είναι επίσης ένα πρόβλημα όταν η μυρωδιά φέρνει τα φυτοφάγα ζώα, όπως το σκαθάρι Trichobaris mucorea στο προσκήνιο. Αυτός είναι ο λόγος που ένα φυτό απελευθερώνει τη χημική κραυγή για βοήθεια, μόνο όταν δέχεται επίθεση από το φυτοφάγο ζώο που θέλει να έχει σκοτώσει».

Σύμφωνα με τους επιστήμονες, η λειτουργική ποικιλομορφία με βάση την μεταβολή στην έκφραση των γονιδίων μπορεί να συγκριθεί με τον πλούτο των ειδών σε ορισμένους βιοτόπους όσον αφορά τις υπηρεσίες οικοσυστήματος. Οι ερευνητές, πάνε ακόμη ένα βήμα παραπέρα, αναφέροντας ότι τα ευρήματά τους μπορούν να χρησιμοποιηθούν στη σύγχρονη γεωργία, καθώς «η μεταβολή της έκφρασης μόλις λίγων γονιδίων σε λίγα άτομα μπορεί να έχει μεγάλα προστατευτικά αποτελέσματα για όλο τον τομέα», λέει η Meredith Schuman. «Προτείνουμε έτσι ένα οικονομικά αποδεκτό τρόπο για να ανακτήσουν μέρος του χαμένου οφέλους της βιοποικιλότητας οι απέραντες εκτάσεις γης που έχουν ήδη μετατραπεί από φυσικοί βιότοποι με βιοποικιλότητα, σε γεωργικές μονοκαλλιέργειες».

Σύμφωνα με τις εκτιμήσεις των Ηνωμένων Εθνών, ο σημερινός παγκόσμιος πληθυσμό είναι πάνω από 7,2 δισεκατομμύρια άνθρωποι και θα έχει φτάσει τα 10 δισεκατομμύρια μέχρι το τέλος του αιώνα και όλοι αυτοί οι άνθρωποι πρέπει να τρέφονται. Η ζήτηση για τρόφιμα θα αυξάνεται συνεχώς με την αύξηση του πληθυσμού. Οι βασικές γνώσεις που προέρχονται από την έρευνα στη μοριακή οικολογία φυτών μπορεί να συμβάλουν σε μια πιο βιώσιμη χρήση της γεωργικής γης και στην καλύτερη προσαρμογή των καλλιεργειών με τα δεδομένα φυσικά περιβάλλοντα.

Πηγή: Max Planck Institute for Chemical Ecology