كيف تتم تقسيم البيولوجيا الحسابية في مستقبل الزراعة – القضايا العالمية
ميغان ماثيوز
رأي بقلم ميغان ماثيوز (شامبين ، إلينوي)
خدمة Inter Press
شامبين ، إلينوي ، 22 مايو (IPS)-عندما انطلق النورمان بورلاجي “الثورة الخضراء” في تربية مجموعة متنوعة من القمح المقاومة للأمراض ، وكان يقضي سنوات في زراعة وتلقيح عينات مختلفة باليد. قام بفهرسة كل نتيجة يدويًا حتى هبط على التنوع الذي من شأنه أن يحول الزراعة وتجنب المجاعة. كانت النتيجة أكبر من المتوقع: من المقدر أنه أنقذ أكثر من مليار شخص في جميع أنحاء العالم من الجوع.
Megan Matthewstoday ، يمكن استخدام الأدوات الحسابية مثل النمذجة لإبلاغ وتوقع النتائج المتوقعة للتجارب في المرحلة المبكرة ، مما يساعد على إعطاء الأولوية للاستراتيجيات التي يجب متابعة الوقت اللازم لتحقيق نفس الهدف. مع مواجهة العالم نفس الحاجة الوجودية كما أثناء وقت بورلاج لتحويل الزراعة لتغذية السكان العالميين بشكل مستدام ، فإن التقنيات والعمليات الأكثر كفاءة أمر بالغ الأهمية. تقدم البيولوجيا الحاسوبية والنمذجة أدوات يمكنها توجيه العلماء نحو المجالات الواعدة في الأبحاث الناشئة وتسريع الاكتشافات المطلوبة لجعل الزراعة أكثر إنصافًا واستدامة. يجمع البيولوجيا الحسابية بين تحليل البيانات وعلوم الكمبيوتر والنمذجة ، بين هذه التقنيات لفهم الأنظمة البيولوجية بشكل أفضل. إن الإمكانية المثيرة في الأفق لعلوم المحاصيل هي التقدم المبكر نحو محاصيل الحبوب الهندسية لمصدر العناصر الغذائية الخاصة بها وتقليل الحاجة إلى الأسمدة. البقوليات مثل الفاصوليا والبازلاء والعدس لديها بالفعل هذه القدرة ، ولكن تحسين امتصاص المغذيات والنمو في النباتات غير السقوط سيكون لها تأثير تحويلي على العائدات والاستدامة. يقوم الباحثون ، بمن فيهم المشاركون في تعايش المغذيات الهندسية في الزراعة (ENSA) ، الذين يعملون مع الممولين مثل ابتكارات Gates الزراعية ، إلى التفاعلات النباتية مع بكتيريا التربة التي تسمى ريزوبيا ، وكذلك الفطريات الفطرية العضلية (AMF) ، والتي توفر المحطات مع نيتروجين وفوسفور من خلال المعالجة الحيوية. من شأن تسخير هذه القدرة أن يقلل من الحاجة إلى الأسمدة غير العضوية لتوفير هذه العناصر الغذائية الرئيسية ، مما يضمن فوائد متعددة. لأحدهم ، غالبًا ما يكون الأسمدة حسابًا كبيرًا للمزارعين ، خاصةً في التقلبات في الأسعار على مدار السنوات القليلة الماضية. يمكن أن تكون هذه تكلفة باهظة للمزارعين في البلدان أو المجتمعات ذات الدخل المنخفض. علاوة على ذلك ، يمكن أن يسبب الإفراط في استخدام الأسمدة آثارًا بيئية سلبية. يمثل إنتاج الأسمدة واستخدام الأسمدة النيتروجين حوالي خمسة في المائة من انبعاثات غازات الدفيئة وأكسيد النيتروز المنتجة 300 مرة أكثر قوة من ثاني أكسيد الكربون. يسبب الجريان السطحي أيضًا في إزهار الطحالب الخطيرة التي تتطور في المجاري المائية ، مما يقتل التنوع البيولوجي المائي. في حين أن فوائد إعطاء المزيد من النباتات القدرة على الحصول على العناصر الغذائية بيولوجيًا واضحة ، لم يكن الأمر واضحًا حتى الآن ما هو التأثير الدقيق لهذه التكاثرات المغذيات على النباتات. وبشكل أكثر تحديدًا ، يعرف العلماء التفاعلات بين بكتيريا التربة أو الفطريات والنباتات تؤثر على النمو ، ولكن ليس بمقدار المبلغ. فحصت الأبحاث الحديثة التي أجراها مجموعتي هذا لأول مرة باستخدام نموذج التمثيل الغذائي للذرة. لقد حلل معدل النمو الافتراضي للذرة إذا كان من الممكن الحصول على القدرة على التفاعل مع ريزوبيا ، والتي لا تملكها حاليًا. قام النموذج أيضًا بتقييم معدل النمو عندما يرتبط الذرة بـ AMF. Rhizobia يساعد على تثبيت النيتروجين ، وسحب النيتروجين من الهواء ومشاركته مع النباتات في مقابل الكربون. AMF ، بدلاً من ذلك ، تساعد النباتات على الوصول إلى المزيد من العناصر الغذائية في التربة بما يتجاوز ما يمكن الوصول إليه من قبل جذورها وحدها. تشير النتائج إلى أن تكديس هذه السمات للسماح بالتفاعلات مع كل من الجذور و AMF يمكن أن يكون أكثر من معدلات نمو الذرة المزدوجة في الظروف المحدودة للمغذيات. على الرغم من أن النموذج لا يتنبأ بالتغيرات في العائد ، فمن المعقول أن نتوقع أن يؤدي ارتفاع معدلات النمو في ظل هذه الظروف أيضًا إلى ارتفاع عائدات. نتائج النمذجة ذات أهمية خاصة بالنظر إلى الأهمية العالمية للذرة كمحصول للأمن الغذائي. على سبيل المثال ، تعتبر الذرة واحدة من أهم المحاصيل في أفريقيا جنوب الصحراء الكبرى ، حيث توفر ثلث جميع السعرات الحرارية المستهلكة ، ومع ذلك فإن المنطقة تختبر عائدات الذرة المنخفضة بشكل مزمن عن الأجزاء الأخرى من العالم. بالنسبة لمزارع ذرة أصحاب الحيازات الصغيرة المتوسطة في أفريقيا جنوب الصحراء الكبرى مع مؤامرة ثنائية الهكتار ، فإن عائدات الذرة المضاعفة ستعادل 1000 دولار كل عام. باستخدام نموذج تم تطويره والتحقق من صحته مع البيانات التجريبية ، تمكنا من تسليط الضوء بشكل كمي على إمكانات الجمع بين هذين النهجين ، والتي ربما لم يتم إعطاء الأولوية على خلاف ذلك. بدون النمذجة ، سيستغرق هذا النوع من التحليل سنوات لجمع وتقييم وتصنيفها ، علاوة على الوقت اللازم لمهندسة الذرة التي تنجح بنجاح ، والتي لا توجد حاليًا. في كثير من الأحيان ، يتم التعامل مع النمذجة والعلوم التجريبية على أنها منفصلة ومتميزة عن بعضها البعض. ومع ذلك ، عند الجمع ، يقدم الاثنان إمكانات هائلة لتسريع علوم المحاصيل من أجل الصالح العام. لا يتطلب الأمر خيالًا حيويًا للنظر في العديد من الطرق التي يمكن أن تساعد بها النمذجة في التحقق من صحة أولويات البحث وتبريره. من خلال توحيد العلماء عبر هذه التخصصات في المؤتمر السنوي لجمعية البيولوجيا التجريبية في وقت لاحق من هذا العام ، آمل أن أشعل محادثة حول كيفية دعم النمذجة وتعزيز العلوم التجريبية للترجمة. ومن خلال العمل معًا ، يمكننا تجميع التقدم الذي نقدمه نحو أنظمة الأغذية الأكثر استدامة للجميع.
ميغان ماثيوز، محقق رئيسي في مشروع التمكين للمواد الغذائية في الزراعة (ENSA) وأستاذ مساعد في جامعة إلينوي
