Για να προστατεύσουν τις καλλιέργειες από την αυξανόμενη ξηρασία, οι επιστήμονες μελετούν τα γονίδια μιας μικρής ομάδας φυτών που μπορούν να επιβιώσουν για μήνες χωρίς νερό και στη συνέχεια να ξαναπρασίνουν μέσα σε λίγες ώρες.

Μεγαλώνοντας στη Νότια Αφρική τη δεκαετία του 1970, η Jill Farrant παρατήρησε για πρώτη φορά πολλά φυτά γύρω της που προφανώς επέστρεφαν από τους νεκρούς.

Αυτά τα φυτά, έμαθε αργότερα, πως μπορούν να επιβιώσουν έξι μήνες ή περισσότερο χωρίς νερό. Τα φύλλα τους γίνονται καφέ και εύθραυστα, αλλά με νερό ξαναπρασινίζουν σε λίγες ώρες. Χρειάζονται μόλις μια ημέρα για να επιστρέψουν στον προηγούμενο εαυτό τους, συνεχίζοντας τη φωτοσύνθεση.

Ενώ μια τέτοια ικανότητα μοιάζει με την Ανάσταση του Λαζάρου (στο πιο αληθινό) είναι κοινή μεταξύ των βρύων, των φτερών κι άλλων μη ανθοφόρων φυτών, αυτά τα «αναστάσιμα φυτά» ανήκαν στα αγγειόσπερμα, ή στα ανθοφόρα φυτά, την ομάδα που περιλαμβάνει κάθε ανθισμένο δέντρο, καρποφόρα, αλλά και καλλιέργειες συγκομιδής. Αλλά από τα 352.000 γνωστά είδη ανθοφόρων μόνο τα 240 είναι αναστάσιμα φυτά. Διασκορπισμένα σε αυτό το κλαδί του δέντρου της ζωής, είναι συχνά άσχετα μεταξύ τους, καθώς το καθένα έχει αναπτύξει ανεξάρτητα την ικανότητα να ζει χωρίς νερό. Ευδοκιμώντας σε βραχώδεις πλαγιές ή χαλικώδη εδάφη της Νότιας Αφρικής, της Αυστραλίας και της Νότιας Αμερικής, οι μηχανισμοί που έχουν αναπτύξει και παραπέμπουν σε ζόμπι, είναι εκπληκτικά παρόμοιοι – σχεδόν σαν να μπορεί να ανακτηθεί μια προγονική εργαλειοθήκη από βαθιά μέσα στο DNA τους για την αντιμετώπιση της ξηρασίας.

Η Farrant, καθηγήτρια αντοχής στην αποξήρανση στο Πανεπιστήμιο του Κέιπ Τάουν, μελετά αυτά τα ασυνήθιστα φυτά για πάνω από τρεις δεκαετίες. Μαζί με αρκετούς άλλους ερευνητές, πιστεύει ότι οι ανθεκτικές στην ξηρασία μυστικές δυνάμεις που βρίσκονται στα γονίδιά τους μπορεί να είναι το κλειδί για την προσαρμογή της γεωργίας στο μέλλον της κλιματικής κρίσης.

Πηγή: Tanya Baber

Το να επιβιώνουν τα φυτά για μήνες χωρίς νερό μπορεί να μοιάζει με σενάριο επιστημονικής φαντασίας. Η συντριπτική πλειοψηφία των φυτών πράγματι πεθαίνουν όταν αντιμετωπίσουν απώλεια νερού της τάξης του 10-30%. Αλλά τα αναστάσιμα φυτά είναι σε θέση να επιβιώνουν με πάνω από 95% απώλεια νερού.

Αλλά δεν είναι μόνο η ικανότητα επιβίωσης στην ξηρασία που είναι σημαντική γι΄ αυτά τα είδη, λέει ο Carlos Messina, από το Πανεπιστήμιο της Φλόριντα. Είναι επίσης το πώς αναγεννιούνται μετά την ξηρασία.

Το καλαμπόκι μπορεί επίσης να επιβιώσει μετά από μια ξηρασία, λέει, «αλλά όταν επανυδατωθούν, δεν επιστρέφουν στην ίδια αρχιτεκτονική φύλλων που είχαν πριν, και η ροή του CO2 και του νερού έχει καταστραφεί». Επομένως, η ξηρασία θέτει σε κίνδυνο την ανάπτυξή τους πολύ μετά την επανεμφάνιση των βροχών.

Αλλά τα αναστάσιμα φυτά «μοιάζουν να επανέρχονται στη μορφή που είχαν πριν από την ξηρασία», λέει. «Αν μπορούμε να δημιουργήσουμε καλαμπόκι που το κάνει αυτό, αυτό είναι φανταστικό, γιατί μπορούμε να ανακτήσουμε αυτήν την παραγωγικότητα».

Τα αναστάσιμα φυτά έχουν εξελίξει αυτήν τη βασική ικανότητα αντικαθιστώντας το νερό που εξαφανίζεται με σάκχαρα όπως η σακχαρόζη και μετατρέποντας το εσωτερικό των κυττάρων τους σε μια παχύρρευστη ουσία που μοιάζει με γυαλί και επιβραδύνει τυχόν χημικές αντιδράσεις. Γνωστή ως υαλοποίηση, η ίδια τακτική χρησιμοποιείται από ζώα που αντέχουν στην αποξήρανση, όπως τα βραδύπορα (επίσης γνωστά ως αρκούδες νερού) και τα αβγά των γαρίδων Artemia (θαλάσσιοι πίθηκοι).

Καθώς μετατρέπονται σε γυαλί, αυτά τα φυτά αποδομούν επίσης τον φωτοσυνθετικό τους μηχανισμό (όπως οι χλωροπλάστες), απενεργοποιώντας την κύρια πηγή τροφής τους καθώς στρέφονται σε κατάσταση λήθαργου. Για να συγκρατήσουν τη σύνθεση των πρωτεϊνών και των κυτταρικών μεμβρανών τους, εκκρίνουν μια σειρά από προστατευτικές πρωτεΐνες γνωστές ως «συνοδούς», αφού καθοδηγούν το κύτταρο σε επικίνδυνες καταστάσεις.

«Το πώς διατηρούν τον ιστό τους είναι ένα θαύμα», λέει η Farrant.

Κατά μία έννοια, οι ικανότητες των αναστάσιμων φυτών δεν είναι τόσο διαφορετικές από τους σπόρους των περισσότερων ανθοφόρων φυτών. Όταν αποξηρανθούν και αποθηκεύονται σε σκοτεινό και κρύο μέρος, πολλοί σπόροι μπορούν να επιβιώσουν για χρόνια, μερικές φορές χιλιετίες, διατηρώντας τη δυνατότητα να γεννηθεί ένα νέο φυτό όταν επιστρέψουν η ζεστασιά και το νερό.

Αλλά μόλις εμφανιστεί ο πρώτος πράσινος βλαστός, αυτή η «αντοχή στην αποξήρανση» χάνεται, ανταλλάσσεται για ταχύτερη ανάπτυξη, υψηλή απόδοση και πιο θρεπτικά φρούτα ή σπόρους. Είναι ένα χαρακτηριστικό που επιδείνωσε η πράσινη επανάσταση, η άνθηση της γεωργίας του 20ου αιώνα η οποία εισήγαγε ποικιλίες καλλιέργειες υψηλής απόδοσης που καλλιεργήθηκαν σε βέλτιστες συνθήκες νερού, εδάφους και ήλιου.

Εν τω μεταξύ, ενώ οι ξηρασίες ήταν πάντα ένα πρόβλημα για τους αγρότες, η αύξηση της παγκόσμιας θερμοκρασίας λόγω των συνεχιζόμενων εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου τις κάνει πολύ χειρότερες, ειδικά στη Μεσόγειο και τη δυτική Βόρεια Αμερική. Η ξηρασία, οι πυρκαγιές και η ζέστη υπολογίζεται ότι κόστισαν 16,6 δισεκατομμύρια δολάρια σε απώλειες καλλιεργειών μόνο στις ΗΠΑ το 2023. Σύμφωνα με ορισμένα κλιματικά μοντέλα, μέχρι το 2100 μεγάλο μέρος της γεωργικής γης στην υποσαχάρια Αφρική και τη Νότια Αμερική θα είναι ακατάλληλο για παραγωγή τροφίμων, ενώ ένα μεγάλο μέρος θα γίνει άγονο από την ξηρασία.

«Η γεωργία θα είναι δυνατή μόνο στον Καναδά και τη Σιβηρία», λέει ο Henk Hilhorst, ένας συνταξιούχος επιστήμονας σπόρων με έδρα την Ολλανδία. Αυτές οι βόρειες περιοχές του πλανήτη, όχι οι τροπικές, είναι που θα πρέπει να τροφοδοτήσουν τον κόσμο.

Η κατάσταση είναι τόσο σοβαρή, υποστηρίζει η Farrant, που πρέπει τώρα να ληφθούν υπόψη ακόμα και οι πιο ριζικές αλλαγές στη γεωργία. «Απλώς δεν θα έχουμε αρκετό φαγητό», λέει. «Έτσι πρέπει να γίνουμε απίστευτα εφευρετικοί».

Τα πιο κοινά φυτά καλλιέργειας όπως το σιτάρι, το καλαμπόκι και η σόγια έχουν ήδη γίνει πιο ανθεκτικά στη λειψυδρία μέσω επιλεκτικής αναπαραγωγής. Η επιλογή φυτών με μεγαλύτερο βάθος ρίζας, τα βοηθά να βρίσκουν βαθύτερα αποθέματα νερού, για παράδειγμα, ή η επιλογή αυτών που ανθίζουν πιο γρήγορα βοηθά στην παραγωγή σπόρων για μικρότερη καλλιεργητική περίοδο.

Όμως τα ακραία καιρικά φαινόμενα δεν γίνονται απλώς πιο συνηθισμένα, αλλά και πιο απρόβλεπτα. Το χάος είναι ο δείκτης της κλιματικής κρίσης, λέει ο Timothy George, εδαφολόγος στο Ινστιτούτο James Hutton στη Σκωτία. «Υπάρχει απλώς πολύ μεγαλύτερη μεταβλητότητα». Οι ασυνήθιστες περίοδοι χωρίς νερό – γνωστές ως ξαφνικές ξηρασίες – γίνονται όλο και πιο συχνές, όπως και οι ξηρασίες που συμβαίνουν κατά τη διάρκεια των μηνών του έτους που οι βροχές ήταν συνήθεις.

Αυτό σημαίνει ότι η αποφυγή της ξηρασίας μπορεί να είναι αδύνατη. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο η Farrant κι άλλοι επιστήμονες διερευνούν εάν μπορούν να βρουν έναν τρόπο να αναδημιουργήσουν την αξιοσημείωτη αντοχή στην αποξήρανση των αναστάσιμων φυτών σε συνηθισμένες καλλιέργειες τροφίμων.

Για την εισαγωγή τέτοιων χαρακτηριστικών στο ρύζι, το καλαμπόκι και το σιτάρι πίστευαν από καιρό ότι απαιτείτο η χρήση «διαγονιδιακής» γενετικής τροποποίησης – η εισαγωγή DNA στο γονιδίωμά τους από μακρινούς συγγενείς στο φυτικό βασίλειο. Τα γονίδια που εμπλέκονται στην αντοχή στην αποξήρανση θα απομονωθούν και θα εισαχθούν σε καλλιέργειες ευαίσθητες στην ξηρασία, μια εργασία που έχει απλοποιηθεί με την πρόσφατη ανάπτυξη των τεχνολογιών επεξεργασίας γονιδίων Crispr.

Αλλά οι πρόσφατες μελέτες της Farrant δείχνουν ότι πολλά από τα γονίδια που χρησιμοποιούνται για να επιβιώσουν από την αποξήρανση είναι τα ίδια με αυτά που βρίσκονται στους σπόρους των περισσότερων ανθοφόρων φυτών. Επομένως, για να δημιουργηθούν καλλιέργειες ανθεκτικές στην ξηρασία, ενδέχεται να μην απαιτούνται καθόλου νέα γονίδια. Ενεργοποιώντας την ίδια γενετική εργαλειοθήκη που βρίσκεται στους σπόρους του, ένα ώριμο φυτό μπορεί να γίνει πιο ανθεκτικό στην ξηρασία. Δεδομένου ότι αυτό θα συνεπαγόταν την ενεργοποίηση γονιδίων που απλώς έχουν «σιωπήσει» κατά τη βλάστηση, αντί για την εισαγωγή ξένων γονιδίων από άλλα φυτά, μπορεί να μην είναι τόσο αμφιλεγόμενο όσο ορισμένες άλλες γενετικά τροποποιημένες καλλιέργειες.

Η Julia Buitink, βιολόγος σπόρων στο Γαλλικό Εθνικό Ινστιτούτο Αγροτικής Έρευνας στο Παρίσι, συμφωνεί ότι είναι μια εφικτή προσέγγιση, ακόμα κι αν το αποτέλεσμα περιοριζόταν στα νεαρά σπορόφυτα. Τα σπορόφυτα θα μπορούσαν να είναι ένας ευκολότερος στόχος, λέει, κυρίως επειδή αυτό το στάδιο ανάπτυξης ακολουθεί τη βλάστηση και η επέκταση της αντοχής στην ξήρανση θα ήταν το πιο λογικό πρώτο βήμα. Επιπλέον, επειδή οι περισσότεροι οργανισμοί που αντέχουν στην αποξήρανση είναι μικροί, αυτά τα σπορόφυτα θα ταιριάζουν με το «εκμαγείο» που υπάρχει ήδη στη φύση.

Ωστόσο, ενώ αυτές οι τεχνικές είναι εφικτές σε οποιοδήποτε εργαστήριο στον κόσμο, παραμένουν τεράστια κενά στη γνώση όσον αφορά το πώς αυτά τα φυτά επιβιώνουν από την αποξήρανση, ειδικά όταν πρόκειται για τον τρόπο με τον οποίο ελέγχεται η προσαρμογή. «Νομίζω ότι γνωρίζουμε τα κύρια γονίδια», λέει η Buitink. «Το πρόβλημα είναι σε υψηλότερο επίπεδο – πώς μπορούμε να τα ενεργοποιήσουμε όταν υπάρχει ξηρασία; Και γι΄ αυτό πραγματικά δεν γνωρίζουμε πολλά».

Οι γενετικοί διακόπτες που έχουν εντοπιστεί, προσθέτει η Buitink, συχνά δεν είναι συγκεκριμένοι για ένα πράγμα: ενεργοποιήστε την ανοχή αποξήρανσης, λέει, και σχεδόν σίγουρα θα αλλάξετε πολλά άλλα μέρη του φυτού – και το πιο σημαντικό, μπορεί να μειώσετε την απόδοσή του. «Που, για τις καλλιέργειες, είναι ακριβώς αυτό που δεν θέλετε».

Αλλά αν βρεθεί ένας «κύριος διακόπτης» – ένα γονίδιο που προκαλεί αντοχή στην ξήρανση – θα μπορούσε να ενεργοποιηθεί μόνο όταν η λειψυδρία γίνει πρόβλημα, διασφαλίζοντας ότι η απόδοση αυτών των καλλιεργειών δεν θα επηρεαστεί εάν οι συνθήκες ευνοούν την ανάπτυξη. Ακριβώς όπως ένα αναστάσιμο φυτό απλά μαραίνεται κατά τη διάρκεια της μακράς ξηρής περιόδου, ένα φυτό καλλιέργειας μπορεί να προετοιμαστεί για μια δύσκολη κατάσταση, μόνο όταν ξεσπάσει μια ξαφνική ξηρασία.

Αυτό ακριβώς πέτυχαν οι ερευνητές στην Κένυα και τη Σουηδία το 2018, όταν εισήγαγαν ένα μόνο γονίδιο από το Xerophyta viscosa – ένα αναστάσιμο φυτό γνωστό και ως «το μικρό κρίνο με το μαύρο κλωνάρι – σε μια ποικιλία γλυκοπατάτας. Γνωστό για τη σημασία του στην αντιοξειδωτική άμυνα, το γονίδιο XvAld1, έκανε αυτά τα διαγονιδιακά φυτά πατάτας πιο ανθεκτικά σε ένα πείραμα αφυδάτωσης 12 ημερών. Σε σύγκριση με τους άγριου τύπου γείτονές τους, παρέμειναν πιο πράσινα για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα, έχασαν λιγότερα φύλλα και ψήλωσαν ακόμη και όταν στερούνταν νερό. Είναι σημαντικό ότι ήταν ίδια πριν ξεκινήσει το πείραμα αφυδάτωσης, υποδηλώνοντας ότι το γονίδιο δεν είχε καμία επίδραση στην ανάπτυξη ή τη δομή των φύλλων.

Γονίδια από αναστάσιμα φυτά έχει αποδειχθεί ότι βελτιώνουν την αντοχή στην ξηρασία και σε άλλα φυτά, συμπεριλαμβανομένου του αγαπημένου των εργαστηρίων Arabidopsis thaliana και των φυτών καπνού. Ωστόσο, με τις γενετικά τροποποιημένες καλλιέργειες οποιουδήποτε είδους να πρέπει να τσεκάρουν όλα τα κουτάκια στις αυστηρές νομικές λίστες ελέγχου (ιδιαίτερα στην ΕΕ), η Farrant έχει αρχίσει να αναζητά άλλους τρόπους για να προκαλέσει αυτά τα αξιοσημείωτα χαρακτηριστικά των αναστάσιμων φυτών σε καλλιέργειες που καλλιεργούνται σήμερα.

Ακριβώς όπως το μικροβίωμα είναι ένα καυτό θέμα στην ανθρώπινη υγεία, το μικροβίωμα της ρίζας (ή η ριζόσφαιρα) μαγνητίζει το ενδιαφέρον στη γεωργική επιστήμη. Η αντοχή στην ξηρασία μπορεί να μην είναι μόνο στα φύλλα και τους μίσχους, αλλά στις ρίζες. «Εδώ μπορεί να υπάρχει δυνατότητα για ομάδες όπως τα αναστάσιμα φυτά ή άλλα ακραία είδη», λέει ο George. «Εάν υπάρχει ένα στοιχείο μικροβιώματος στην ικανότητά τους να αντιμετωπίζουν το ακραίο στρες, τότε ίσως μπορέσετε να το μεταφέρετε σε ένα σύστημα καλλιέργειας πολύ πιο εύκολα από ό,τι, ας πούμε, τα γενετικά συστατικά».

Κι αυτό ακριβώς προσπαθεί να κάνει η Farrant. Μαζί με τους συναδέλφους της Shandry Tebele και Rose Marks, έχει αρχίσει να χαρτογραφεί το μικροβίωμα του Myrothamnus flabellifolia, ενός είδους που είναι μοναδικό ακόμα και ανάμεσα στα αναστάσιμα φυτά. Αναπτύσσεται σε χαλικώδες έδαφος στη Νότια Αφρική, μπορεί να φτάσει στο ύψος της μέσης, ενώ μοιάζει περισσότερο με θάμνο παρά με κομμάτι γρασίδι. Ακόμα και με τέτοια πολυπλοκότητα και μέγεθος, μπορεί να επιβιώσει για εννέα μήνες ή περισσότερο χωρίς νερό.

Η πρώτη έρευνα για τη ριζόσφαιρα του M. flabellifolia, που δημοσιεύθηκε το 2024, αποκάλυψε πάνω από 900 μοναδικές βακτηριακές και μυκητιακές ομάδες, την αρχή αυτού που μπορεί να γίνει ένα ανθεκτικό στην ξηρασία προβιοτικό το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για άλλα φυτά.

Πάνω από το έδαφος, όμως, είναι το έργο της Farrant στο τεφ (είδος σιταριού) που ενδέχεται να είναι το πιο ελπιδοφόρο. Ένα φυσικό δημητριακό – υπερτροφή χωρίς γλουτένη, το τεφ καλλιεργείται εδώ και χιλιάδες χρόνια στην Αιθιοπία. Η αντοχή του στη λειψυδρία έχει οδηγήσει εδώ και πολύ καιρό στο να επαινείται ως η δυνητικά πιο βιώσιμη και ανθεκτική στο κλίμα καλλιέργεια, αλλά η Farrant ενδιαφέρεται γι΄ αυτό το είδος για ελαφρώς διαφορετικούς λόγους. Το τεφ είναι η μόνη καλλιέργεια που έχει ένα αναστάσιμο φυτό ως στενό συγγενή: το Eragrostis nindensis, ένα χόρτο στο ύψος της μέσης που φυτρώνει σε βραχώδεις πλαγιές στη νότια Αφρική. Μαθαίνοντας πώς αυτά τα φυτά διαφέρουν στις αντιδράσεις τους όσον αφορά στην ξηρασία, μπορεί να αποκαλύψει ποια γονίδια έχουν χαθεί ή απενεργοποιηθεί – και αν αυτά μπορούν να επανεισαχθούν στο τεφ, μια γενετική τροποποίηση που είναι πιο πιθανό να είναι επιτυχής δεδομένης της στενής συγγένειάς τους.

Είναι ένα έργο που είναι ακόμα σε πρώιμο στάδιο. Αλλά ήδη φαίνεται ότι η προστασία από το ηλιακό φως είναι μία από τις κύριες διαφορές μεταξύ των δύο. Το E. nindensi παράγει αντιοξειδωτικά μέσα στα φύλλα του και μια επικάλυψη από ανθοκυανίνες – ουσιαστικά μια φυτική εκδοχή της αντηλιακής κρέμας – στις εξωτερικές επιφάνειές του. Το τεφ δεν έχει αυτή την ικανότητα. Είναι μια λεπτή ισορροπία για το E. nindensi: το φως του ήλιου είναι απαραίτητο για να αναπτυχθεί ένα φυτό με επάρκεια νερού, αλλά κατά τη διάρκεια της ξηρασίας μπορεί να αποβεί θανατηφόρο, οδηγώντας σε ανεξέλεγκτη φωτοσύνθεση, παραγωγή αντιδραστικού οξυγόνου και ζημιές από την υπεριώδη ακτινοβολία. Ωστόσο, για να έχει αυτήν η επιλογή το τεφ, μπορεί να του επιτρέψει να επιβιώσει στην πιο σκληρή ξηρασία και να αναπτυχθεί άλλη μια μέρα.

Έτσι, οι μικροσκοπικοί σπόροι του τεφ, αλεσμένοι για να φτιάξουν αλεύρι για ψωμί και τηγανίτες, μπορεί απλώς να κρατούν το κλειδί για μια πιο βιώσιμη γεωργία. Ακριβώς όπως το καλαμπόκι, το ρύζι και το σιτάρι καλλιεργούνταν για υψηλότερες αποδόσεις σε βάρος της ανθεκτικότητας στην Πράσινη Επανάσταση του 20ου αιώνα, τέτοιες καλλιέργειες θα πρόσθεταν ανθεκτικότητα, ακόμα και με το κόστος μιας ελαφρώς χαμηλότερης απόδοσης. «Μπορεί να έχουν χαμηλή απόδοση, αλλά ο γεωργός που επιβιώνει έχει μια σοδειά», λέει η Farrant. «Και αυτό ανεξάρτητα από το αν βρέξει σε 10 ημέρες ή δύο χρόνια».

Η συναρπαστική ικανότητα των φυτών της ανάστασης να επιβιώνουν χωρίς νερό για μήνες έχει προφανή σημασία σε έναν κόσμο που αντιμετωπίζει αυξανόμενη ερημοποίηση και ολοένα και πιο ασταθή ξηρασία. Εάν αυτά τα ίδια χαρακτηριστικά μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν σε καλλιέργειες, θα βοηθούσε στη διατήρηση της παραγωγής τροφίμων σε περιοχές με ξηρασία. Αλλά η αλλαγή του γονιδιώματος των οργανισμών παραμένει αμφιλεγόμενη σε πολλές περιοχές του κόσμου. Είναι επίσης πρώιμες μέρες για αυτήν την έρευνα, αν και τα γονίδια από τα αναστάσιμα φυτά έχει αποδειχθεί ότι βελτιώνουν την αντοχή στην ξηρασία σε ορισμένες καλλιέργειες τροφίμων.

Με πληροφορίες από BBC

Tags