ความก้าวหน้าของนักคณิตศาสตร์ในการควบคุมศัตรูพืชแบบไม่มีพิษ

วิธีการกำจัดศัตรูพืชที่ก้าวหน้านี้ทำงานร่วมกับยีนของพืชเองเพื่อฆ่าหนอนขนาดเล็กที่เรียกว่าไส้เดือนฝอยโดยไม่ทำอันตรายต่อแมลง นก หรือสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมอื่นๆ ดร. Konstantin Blyuss จาก School of Mathematical and Physical Sciences แห่งมหาวิทยาลัย Sussex กล่าวว่า "ด้วยจำนวนประชากรโลกที่เพิ่มขึ้นจำเป็นต้องได้รับอาหาร และความจำเป็นเร่งด่วนในการเปลี่ยนจากเชื้อเพลิงฟอสซิลเป็นเชื้อเพลิงชีวภาพ การวิจัยของเราจึงเป็นก้าวสำคัญในการค้นหาการปกป้องพืชผลที่ปลอดภัยต่อสิ่งแวดล้อม ซึ่งไม่เป็นอันตรายต่อผึ้งหรือแมลงอื่นๆ" พืชผลมูลค่าประมาณ 130,000 ล้านดอลลาร์สูญเสียทุกปีเนื่องจากโรคที่เกิดจากไส้เดือนฝอย การกำหนดเป้าหมายไส้เดือนฝอยที่เป็นอันตรายด้วยสารเคมีกำจัดศัตรูพืชเป็นปัญหาเพราะพวกมันสามารถทำร้ายแมลงชนิดอื่นได้โดยไม่เลือกหน้า มีแบคทีเรียที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติในดินซึ่งสามารถช่วยปกป้องพืชจากไส้เดือนฝอยที่เป็นอันตราย แต่จนถึงขณะนี้ยังไม่มีวิธีที่มีประสิทธิภาพในการควบคุมพลังของแบคทีเรียเหล่านี้เพื่อปกป้องพืชผลในวงกว้าง ดร. Blyuss และเพื่อนร่วมงานของเขาใช้ 'การรบกวน RNA' (RNAi) เพื่อกำหนดเป้าหมายสายพันธุ์ของไส้เดือนฝอยที่เป็นอันตรายต่อข้าวสาลีอย่างแม่นยำ ดร. Blyuss อธิบายว่า: "ไส้เดือนฝอยเช่นเดียวกับสิ่งมีชีวิตอื่น ๆ ทั้งหมดต้องการโปรตีนบางชนิดเพื่อผลิตเพื่อความอยู่รอดและสร้างลูกหลาน และการรบกวน RNA เป็นกระบวนการที่หยุดหรือปิดปากการผลิตสิ่งเหล่านี้" ทีมงานได้พัฒนาวิธีการ 'ปิดเสียง' ยีนของไส้เดือนฝอยที่เป็นอันตรายโดยใช้สารกระตุ้นทางชีวภาพที่ได้จากแบคทีเรียในดินที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติ สารกระตุ้นชีวภาพยัง 'ปิด' ยีนของพืชที่ได้รับผลกระทบจากไส้เดือนฝอย ทำให้ปรสิตทำอันตรายพืชได้ยากขึ้น กระบวนการทำให้ยีนเงียบจะถูกกระตุ้นเมื่อสารกระตุ้นชีวภาพซึ่งเป็นสารของแบคทีเรียที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติในดินถูกนำไปใช้กับข้าวสาลี สามารถใช้สารกระตุ้นทางชีวภาพได้โดยการแช่เมล็ดหรือรากในสารละลายที่มีสารกระตุ้นทางชีวภาพ หรือโดยการเติมสารละลายลงในดินที่พืชกำลังเติบโต ดร. Blyuss กล่าวว่า: "โดยการแช่เมล็ดของพืชในสารละลายของสารกระตุ้นทางชีวภาพ พืชจะกลายเป็น 'ม้าโทรจัน' เพื่อส่งสารประกอบพิเศษที่ผลิตในพืชไปยังไส้เดือนฝอย นักคณิตศาสตร์ ซึ่งจากนั้นจะฆ่าพวกมัน เราได้กำหนดเป้าหมายไปที่ยีนเฉพาะของไส้เดือนฝอย ดังนั้นเราจึงรู้ว่าสิ่งนี้จะไม่ส่งผลกระทบต่อสิ่งมีชีวิตอื่นๆ" สารกระตุ้นทางชีวภาพมีผลเฉพาะกับไส้เดือนฝอยและยีนของพืชเท่านั้น และไม่เป็นอันตรายต่อแมลงชนิดอื่น และเนื่องจากสิ่งเหล่านี้เกิดขึ้นตามธรรมชาติแทนที่จะทำจากสารเคมี เกษตรกรออร์แกนิกจึงอาจนำไปใช้เพื่อผลิตอาหารออร์แกนิกที่มีราคาย่อมเยาในอนาคต แบบจำลองทางคณิตศาสตร์ของ Dr. Blyuss อธิบายว่าการรบกวนของ RNA ทำงานอย่างไรในพืช และแสดงวิธีที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดในการใช้สารกระตุ้นทางชีวภาพเพื่อให้พืชผลปลอดภัยจากไส้เดือนฝอยที่เป็นอันตราย การทดลองของทีมงานแสดงให้เห็นว่าการแช่เมล็ดพืชในสารละลายสารกระตุ้นทางชีวภาพช่วยเพิ่มโอกาสที่พืชจะรอดชีวิตได้ระหว่าง 57 ถึง 92% เทคนิคนี้ยังช่วยลดระดับการแพร่กระจายของไส้เดือนฝอยได้ 73 ถึง 83% เมื่อเทียบกับพืชที่ปลูกโดยไม่ใช้สารกระตุ้นทางชีวภาพ อธิบายการวิจัย ดร. Blyuss กล่าวว่า: "ด้วยการใช้แบบจำลองทางคณิตศาสตร์ เราได้เรียนรู้วิธีที่สารกระตุ้นทางชีวภาพถูกดูดซึมโดยต้นข้าวสาลี ดังนั้นตอนนี้เราจึงรู้วิธีที่ดีที่สุดในการส่งสารเหล่านี้ นอกจากนี้ เรายังดูว่า RNAi พัฒนาภายในพืชและไส้เดือนฝอยอย่างไร พืชสามารถเปลี่ยนได้อย่างไร กำจัดยีนเฉพาะที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการของพยาธิไส้เดือนฝอย ซึ่งจะเป็นการหยุดการรบกวน และทำไมส่วนของ RNAi จากพืชเมื่อไส้เดือนฝอยกินเข้าไปในร่างกาย ทำให้พวกมันตายโดยการทำให้ยีนที่จำเป็นบางส่วนของพวกมันเงียบลง ข้อมูลเชิงลึกเหล่านี้ถูกรวมเข้ากับงานทดลองขั้นสูงในการพัฒนาสายพันธุ์ใหม่ของแบคทีเรียในดินและการสกัดสารเมแทบอไลต์ของพวกมัน ตลอดจนการวิเคราะห์อณูพันธุศาสตร์ที่ล้ำสมัย เพื่อพัฒนาเครื่องมือรุ่นใหม่ที่ปลอดภัยต่อสิ่งแวดล้อมสำหรับการควบคุมไส้เดือนฝอยข้าวสาลี "บางคนระวังพืชดัดแปลงพันธุกรรม ดังนั้นสิ่งสำคัญคือต้องชัดเจนว่าไม่ใช่พืชชนิดนี้ สารกระตุ้นทางชีวภาพทำหน้าที่เป็น 'การเพาะเชื้อ' ต่อต้านการแพร่ระบาดของไส้เดือนฝอยได้อย่างมีประสิทธิภาพ พวกมันบรรลุผลโดยการระดมเครื่องจักรภายในของพืชเพื่อผลิตสารประกอบที่ ป้องกันพืชจากไส้เดือนฝอยในขณะเดียวกันก็ทำให้ไส้เดือนฝอยตาย พืชที่ผลิตโดยใช้สารกระตุ้นทางชีวภาพจะให้ผลผลิตพืชผลที่ดีกว่ามากและต้านทานต่อแมลงศัตรูพืชได้สูงกว่า แต่ก็ไม่แตกต่างจากพืชชนิดอื่นที่ได้รับการผสมพันธุ์เทียมเพื่อให้มีลักษณะที่เป็นประโยชน์บางประการ ยิ่งกว่านั้น สารกระตุ้นทางชีวภาพนั้นเป็นธรรมชาติอย่างแท้จริง เนื่องจากพวกมันไม่ได้เป็นเพียงผลิตภัณฑ์ของแบคทีเรียที่อาศัยอยู่ในดินอยู่แล้ว " การค้นพบนี้ได้รับการตีพิมพ์ในวารสารFrontiers in Plant Science ผู้ร่วมงานของ Dr. Blyuss ในยูเครนซึ่งมาจากสถาบันวิจัย 3 แห่ง ได้แก่ Professors Victoria Tsygankova (Institute of Bioorganic Chemistry and Petrochemistry), Liudmyla Biliavska and Galyna Iutynska (Institute of Microbiology and Virology), Alla Yemets and Yaroslav Blume (Institute of Food Biotechnology และจีโนม) ศาสตราจารย์ Galyna Iutynska หัวหน้างานทดลองเกี่ยวกับการพัฒนาสารกระตุ้นทางชีวภาพกล่าวว่า "งานนี้น่าตื่นเต้นมากเพราะสารกระตุ้นทางชีวภาพของเราได้มาจากผลิตภัณฑ์ของแบคทีเรียในดินที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติ ซึ่งไม่ผ่านการดัดแปลงพันธุกรรม ความสำคัญของสิ่งนี้คือสารกระตุ้นทางชีวภาพเหล่านี้แตกต่างจากสารเคมีกำจัดศัตรูพืช นอกจากนี้ยังสามารถใช้เพื่อปกป้องพืชผลทางการเกษตรหลายชนิดจากปรสิต ในบริบทของการทำเกษตรอินทรีย์ซึ่งเป็นปัญหาที่ท้าทายอย่างยิ่ง นอกจากนี้ สารกระตุ้นทางชีวภาพเหล่านี้ยังสามารถทดแทนสารเคมีกำจัดศัตรูพืชหรือลดการใช้ลงได้อย่างมาก ขั้นตอนต่อไปคือการพัฒนาแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ขั้นสูงเพิ่มเติมว่าสารกระตุ้นทางชีวภาพที่มีองค์ประกอบหลายอย่างสามารถดึงขึ้นมาจากดินโดยทั้งเมล็ดและรากได้อย่างไร และเพื่อระบุว่าเป้าหมายทางพันธุกรรมใดที่ตรวจพบล่าสุดในไส้เดือนฝอยมีประสิทธิภาพมากที่สุด ศาสตราจารย์ Dave Goulson จาก School of Life Sciences แห่งมหาวิทยาลัย Sussex และผู้เชี่ยวชาญระดับโลกเกี่ยวกับการลดลงของประชากรผึ้งกล่าวว่า "มีความตระหนักเพิ่มมากขึ้นว่าการใช้สารกำจัดศัตรูพืชแบบดั้งเดิมอย่างหนักในการทำฟาร์มก่อให้เกิดอันตรายอย่างใหญ่หลวงต่อความหลากหลายทางชีวภาพ ส่งผลให้เกิดมลพิษในดินและทางน้ำด้วยสารพิษที่เป็นอันตราย เราจำเป็นต้องหาทางเลือกอื่นอย่างเร่งด่วนในการควบคุมศัตรูพืช"