10 botanische observaties die de wereld kunnen veranderen

Als het gaat om groot wetenschappelijk nieuws, lijkt het veld van de plantkunde - de tak van de biologie die te maken heeft met het plantenleven - er uiteindelijk uit te zien als het verlegen kind dat wordt buitengesloten. Mensen lijken een beeld te hebben van botanisten die adorably oudere veredelde hoveniers hebben die met schoppen in de aarde knielen tijdens het planten van bloemen.

Maar plantkunde is eigenlijk in de voorhoede van de wetenschap. Het veld helpt bij het informeren en vormgeven van die meer sexy gebieden die alle camera's en aandacht krijgen, zoals genetica, biotechnologie, paleontologie en onderzoek naar klimaatverandering. Er zijn echter veel botanische observaties die veelbelovend zijn om de wereld van vandaag te veranderen.

10 Fungi kunnen gewasopbrengsten verhogen

In 2014 hebben wetenschappers geleerd om de symbiotische relaties te gebruiken die smederijen met schimmels vormen om de opbrengst van gewassen te verhogen en tegelijkertijd minder kunstmest te gebruiken.

Wetenschappers weten al lang dat de meeste planten nuttige schimmels in de grond rondom hen gebruiken om mycorrhiza (schimmels) te produceren. Deze schimmels bezitten lang reikende filamenten - hyphae genaamd - die voedingsstoffen kunnen bereiken die de wortels van een plant niet kunnen bevatten. Deze relatie helpt planten deze voedingsstoffen efficiënter te verzamelen.

Nu heeft een team van onderzoekers, geleid door Dr. Michael Schultze van de afdeling Biologie in York in Engeland, een eiwit ontdekt (bekend als een "protonpomp") dat fungeert als het interface tussen de schimmels en plantenwortelcellen. Hierdoor kunnen voedingsstoffen worden doorgegeven aan de plant. Deze waarneming werd gepubliceerd in het tijdschrift De plantencel dat wordt geproduceerd door de American Society of Plant Biologists.

Dr. Schultze heeft verklaard dat de mycorrhiza-specifieke protonpomp een manier zou zijn voor plantenveredelaars om de gewasopbrengst te verhogen, terwijl het gebruik van meststoffen wordt geminimaliseerd, door gebruik te maken van de natuurlijke toename van voedingsstoffen. Minerale meststoffen zijn een beruchte bron van milieuproblemen. Ze kunnen leiden tot bodemerosie en verontreiniging van het grondwater met nitraten en fosfaten. Hoge niveaus van nitraten zijn gevaarlijk voor de menselijke gezondheid. Fosfaatverontreiniging leidt tot algengroei als algen sterven en zuurstof uit het water lekken als het uiteenvalt, een proces dat eutrofiëring wordt genoemd.

9Belangrijke voordelen van maïsbestrijding bij ongedierte

Bt-maïs (behandeld met de bacteriën Bacillus thuringiensis) is de bekende genetisch gemodificeerde maïsvariëteit die gefokt is om resistent te zijn tegen maïswortelwormen. Deze Midwestern Amerikaanse plagen verwoesten gewassen in zowel de larvale als de volwassen kevervorm. Maïswortelwormen kosten telers meer dan $ 1 miljard per jaar.

Bt-maïs beschermt zichzelf door een bestrijdingsmiddel genaamd BT (dat een bacterieel toxine is) in zichzelf te produceren. Dit vermindert de noodzaak om de mais met pesticiden te besproeien. Naast de voor de hand liggende voordelen, hebben wetenschappers geconstateerd dat Bt-maïs vaak de verwachtingen overtreft en hogere opbrengsten oplevert dan verwacht.

In 2012 publiceerden Fred Below en Jason Haegele van de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign een studie die vaststelde dat Bt-maïs de opbrengsten verhoogt door de stikstofinname te verhogen en tegelijkertijd de efficiëntie van het stikstofgebruik te verhogen. Door niet te hoeven investeren in kostbare strategieën om zich tegen ongedierte te beschermen, bevinden de planten zich vrij om meer gezonde en actieve wortelstelsels te ontwikkelen, wat leidt tot een verhoogde productie rondom.

Bt-maïs belooft ook wetenschappers te helpen die root-systemen onderzoeken. Grote populaties van planten die dicht bij elkaar groeien, zoals gewasplanten, kunnen grote netwerken van wortelstelsels produceren als die wortels worden beschermd tegen ongedierte. Dit geeft onderzoekers een groter reservoir aan bronnen om mee te werken bij het proberen te begrijpen hoe wortel systemen werken. Dit kan op zijn beurt leiden tot nieuwe vruchtbare wegen van onderzoek en ontwikkeling.

8Robots geïnspireerd door planten

Onderzoekers van een door de EU gefinancierd project aan het Istituto Italiano di Tecnologia werken aan een reeks geavanceerde robotprojecten die geïnspireerd zijn op wat een onwaarschijnlijke bron lijkt te zijn: het plantenleven.

Barbara Mazzolai is de coördinator van het FP7-PLANTOID-project, dat hardware- en softwareoplossingen wil ontwerpen en prototypen op het gebied van robotica geïnspireerd op planten. Dit omvat de manier waarop ze bewegen, de wereld voelen en zelfs de manier waarop hun wortels groeien. Terwijl velen planten zien als passieve organismen die vrijwel niets doen, bewegen planten in feite. Vaak is deze beweging 'op uiterst efficiënte manieren'.

De groep heeft een algemeen prototype ontwikkeld dat gebruik wil maken van de manieren waarop planten met de wereld omgaan. Het beschikt over een driedimensionale bedrukte stam en bladen die dingen detecteren zoals temperatuur, zwaartekracht en vochtigheid. Het heeft ook een wortelstelsel dat groeit en van richting verandert als dat nodig is. Dit is de eerste keer dat wetenschappers naar planten hebben gekeken om op robotica gebaseerde problemen op te lossen.

Mazzolai en haar team hopen uiteindelijk dit werk te gebruiken op uiteenlopende gebieden als landbouw, medicijnen en verkenning van de ruimte. Ze stellen toekomstige robots voor die kunnen worden neergezet op een buitenaardse wereld waar ze zichzelf zouden implanteren en sensorische informatie zouden gebruiken om zich aan te passen aan ruige omgevingen. Een andere mogelijkheid is om flexibele endoscopische chirurgische robots te maken die door het menselijk lichaam kunnen reizen.

Het PLANTOID-project wordt gesteund met 1,6 miljoen euro aan financiering door de EU en zal naar verwachting in 2015 worden afgerond. Het team werkt momenteel aan een geavanceerder prototype met meer mogelijkheden. Ze hopen een model te ontwikkelen dat de externe omgeving gebruikt om energie te verzamelen en slimmere robots die kunnen leren van omgevingsfactoren en beslissingen op basis daarvan kunnen nemen. U kunt de voortgang van het project volgen en hier meer informatie vinden.

7 Afstand landbouwtechnieken

Recent onderzoek naar technieken voor woestijnlandbouw heeft geleid tot nieuwe observaties over hoe planten relaties met bacteriën smeden om groei te bevorderen. Dit heeft belangrijke potentiële toepassingen.

In een studie uit 2012 gepubliceerd in PLOS ONE, gebruikten onderzoekers een droogtegevoelige peperplant (Capsicum annuum L.) en gericht op de organismen die eromheen groeiden onder droogte. Ze deden dit door wortelstelsels te ontleden en zowel gecultiveerde als onontgonnen grond te bemonsteren.

Ze ontdekten dat, wanneer ze werden blootgesteld aan droogteomstandigheden, de bacteriën rond de planten werden verrijkt en het dreef planten aan tot een toename van 40 procent in fotosynthese en biomassaproductie.

Hoe meer plantenbiologen bestuderen hoe planten in wisselwerking staan ​​met de organismen die eromheen groeien, des te meer is het zinvol om over planten te spreken als een 'meta-organisme' waar het microbioom eromheen net zo goed deel uitmaakt van het geheel als de plant zelf. In een wereld waar klimaatverandering en groeiende menselijke populaties grote nadruk zullen leggen op de beschikbaarheid van water en de hoeveelheid land die bruikbaar is voor landbouw, zal dit onderzoek ons ​​helpen door hoge oogstopbrengsten te behouden met minimale irrigatie.

6 Zeewierlandbouw

Omdat algenbloeien stranden sluiten en ecosystemen verstoren, is algen al geruime tijd een groeiende zorg voor het milieu. Het wordt door velen gezien als een plaag en een probleem dat we moeten uitroeien.

Maar een groep onderzoekers is het daar niet mee eens. Ze zeiden: "In ons onderzoek keren we het argument op zijn kop en zien algen als een hulpbron. We verzamelen overtollige algen langs de kusten en cultiveren nieuwe algen op zee. "Waarom zouden ze dit doen?

Fredrik Grondahl, hoofd van het Seafarm Project aan het KTH Royal Institute of Technology in Zweden, hoopt algen te gebruiken als een goedkope en overvloedige bron van voedsel, medicijnen, plastic en biobrandstof. Mensen gebruiken bijna 40 procent van de productie afkomstig van op het land gebaseerde ecosystemen, maar slechts ongeveer 1 procent van wat de zee kan produceren.

De buitensporige bemesting van onze oceanen als gevolg van menselijke activiteit - eutrofiëring genaamd - leidt tot het creëren van te veel algen en, om het nog erger te maken, wat we produceren uit de zee is meestal uitbuitend. Sommige vismethoden, waaronder trawlvisserij, verwoesten de oceanen. Trawleren doodt duizenden levende wezens die nooit worden gebruikt om de vis te krijgen die trawlers willen. Gebruikmaken van het potentieel van algen zou dat allemaal kunnen veranderen. Het nut ervan is ongelooflijk en bijna volledig over het hoofd gezien in de meeste westerse culturen.

Algen bevatten vitamines, aminozuren en mineralen. Het kan gewoon worden gegeten of worden gebruikt om specerijen en oliën te produceren. Het kan ook meer milieuverontreinigende vormen van diervoeder vervangen. Bruine algen kunnen drie keer zoveel suiker produceren als suikerbieten.

Grondahl's Seafarm-project kweekt algen op tonnen en oogst ze vervolgens op het land, waar ze verder worden verwerkt via bioraffinageprocessen. Zijn boerderij en andere soortgelijke projecten hebben een enorm potentieel om de wereld te veranderen.

Andere landen gebruiken al geruime tijd algen. Veel delen van Azië, met name Japan, gebruiken het al eeuwen. Ierland, een land met een lange traditie van het gebruik van zeewier, heeft sinds 2010 uitgebreide algenkweekprojecten ontwikkeld. In 2011 begon Noorwegen soortgelijke projecten. Dus misschien zijn de zeeboerderijen waar sciencefictionschrijvers en futuristen naar kijken, eindelijk onderweg.

5 Nieuwe schimmels waarnemingen kunnen leiden tot verbeterde fungiciden

Een nieuw onderzoek van onderzoekers aan de Universiteit van Exeter in Engeland, gepubliceerd in het oktobernummer van Nature Communications, toont het mechanisme waarbij de meeste pathogene schimmels het immuunsysteem van de planten die ze aanvallen, vermijden. Deze bevinding belooft te leiden tot een hele nieuwe generatie fungiciden.

Biowetenschappen Professor Gero Steinberg van UOE heeft erop gewezen dat pathogene schimmels een groot potentieel hebben om de voedselzekerheid in de wereld te verstoren en reeds miljarden dollars aan schade hebben gekost. Hij zei: "In feite zijn de verliezen van tarwe, rijst en maïs aan schimmelpathogenen, per jaar, hetzelfde als de jaarlijkse uitgaven van het Amerikaanse ministerie van Binnenlandse Veiligheid - ongeveer $ 60 miljard."

Het blijkt dat de meeste pathogene schimmels een plant injecteren met effector-eiwitten die het mogelijk maken om automatische immuunsysteemreacties te omzeilen en in plantencellen te komen. De schimmels gebruiken signalerende organellen - de zogenaamde vroege endosomen - die zich verplaatsen tussen de kern van de schimmelcel en het punt van invasie. Ze fungeren als boodschappers en leveren de eiwitten af ​​die het de schimmel mogelijk maken om veilig zijn weg naar de plant te vinden.

Door te leren hoe dit proces uit te schakelen, moeten onderzoekers nieuwe fungiciden kunnen leveren die de ziekte behandelen voordat de schimmel ooit de kans krijgt om zijn vuile werk te doen. De huidige fungiciden worden vaak snel ineffectief gemaakt door pathogene schimmels, omdat hun snelle groeisnelheid hen helpt om zich snel aan te passen aan schimmelwerende behandelingen.

4Human Gut Microbes kunnen plantaardige biobrandstoffen opleveren

Om planten als biobrandstof te gebruiken, hebben wetenschappers een manier nodig om de celwanden van een plant efficiënt af te breken. Traditioneel doen ze dit door bepaalde microben te gebruiken die over de nuttige eigenschap beschikken om precies dat te doen. Waarschijnlijke kandidaten zijn de microben die in koe-rumens en termietendarmen bestaan.

Maar in een studie van 2014 in de Proceedings van de National Academy of Sciences, Professor Isaac Cann van de Universiteit van Illinois en zijn team van onderzoekers geloven dat ze een betere kandidaat hebben gevonden - in de menselijke darm van alle plaatsen.

De studie bevestigt een eerdere hypothese dat darmmicroben bij mensen het vermogen hebben om vezels te verteren en het om te zetten in suikers die op hun beurt voedingsstoffen fermenteren die menselijke cellen gebruiken. Dezezelfde suikers kunnen aan gist worden gevoerd om ethanol en andere vloeibare brandstoffen te genereren. Twee van de microben gevonden in mensen-Bacteroides intestinalis en Bacteroides ovatus-verschijnen efficiënter te zijn in het afbreken van complexe plantenvezels dan zelfs die gevonden bij koeien.

Afgezien van belangrijke implicaties voor de gezondheid van de mens, kan deze ontdekking de biobrandstoffenindustrie ten goede komen, wat ons op zijn beurt weer in staat kan stellen enorme milieuwinst te behalen.

3bomen die de bioproductie kunnen verhogen

Onderzoekers van het Center for Plant Biotechnology and Genomics hebben een nieuwe vorm van biotechnologie ontwikkeld: een techniek om de biomassaproductie van een bosplantage te verhogen zonder de groeisnelheid, samenstelling of anatomie van een boom te veranderen. Niet alleen verhoogt dit de algehele productie van bomen zonder de voedselvraag van de bomen te vergroten, het doet dit op manieren die de effecten van het broeikaseffect kunnen verzachten en de energiezekerheid verbeteren door een veel grotere houtproductie in dezelfde hoeveelheid ruimte mogelijk te maken.

Ze deden het via een techniek die de expressie van bepaalde genen modificeert die verantwoordelijk zijn voor een proces dat 'syleptische vertakking' wordt genoemd in bomen, waardoor het aantal takken, de grootte van het bladoppervlak en de algehele groei toeneemt. De onderzoekers beweren dat hun techniek potentieel kan werken op elke houtachtige plantensoort.

Vanwege de mogelijke toepassingen voor de bio-energiesector en energiemarkten, is het proces gepatenteerd.

2Geluidstrillingen kunnen de oogst binnenkort versnellen

In Europa hebben veel landen uitgebreide pesticidenverboden ingesteld. Dit zet onderzoekers onder druk om alternatieve methoden voor het bestrijden van plagen te vinden. Zou het op een dag mogelijk kunnen zijn om veel van de pesticiden in de wereld te vervangen door een op geluid en geur gebaseerd insectenbestrijdingssysteem? Dat denken onderzoekers in Italië.

Ilaria Pertot en een team van EU-onderzoekers die aan het PURE-project werken, hebben met geluidstrillingen en feromonen geëxperimenteerd om het paargedrag van de Europese druivemot en de cicade te verstoren. Scaphoideus titanus-twee gewone druivenplagen.

Aangezien druiven alleen al verantwoordelijk zijn voor 38 procent van het gebruik van pesticiden in heel Europa, is het gemakkelijk in te zien hoe dit onderzoek enorme milieuvoordelen kan hebben, ook al blijkt het niet wijdverbreid toepasbaar te zijn.

De onderzoekers beweren dat, op basis van hun studie tot nu toe, de methoden die ze ontwikkelen net zo efficiënt, zo niet meer, zijn dan het gebruik van chemische pesticiden en ze mogelijk helemaal kunnen vervangen.

1Chinese Plant Diversity Cruciaal voor wereldwijde voedselzekerheid

Het Westen heeft een paar redenen gehad om China de laatste decennia te benijden en het heeft misschien wel een andere. Een botanisch team van de Universiteit van Birmingham in Engeland, samen met partners uit China, beweren dat de enorme hoeveelheid plantendiversiteit in China in de toekomst cruciaal kan zijn voor de wereldwijde voedselzekerheid.

De Chinese flora omvat meer dan 20.000 hogere plantensoorten. De onderzoekers identificeerden 871 van deze inheemse soorten die bekend staan ​​als gewas wilde verwanten (CWR). Ze worden dit genoemd vanwege hun genetisch potentieel om 28 belangrijke mondiale gewassen (zoals rijst, tarwe, sojabonen en vele anderen) aan te passen en te helpen onderhouden. Sommige worden gebruikt om gewassen te helpen om de weerstand tegen kou te verbeteren of om weerstand tegen toxines te bieden. Anderen hebben verbeterde droogteresistentie of verbeterde voedingskwaliteiten zoals het eiwitgehalte. Tweeënveertig procent van hen komt nergens anders in de wereld voor.

Het is echter niet allemaal goed nieuws. De onderzoekers ontdekten ook dat ten minste 17 procent van deze enorm waardevolle soorten met uitsterven wordt bedreigd en onmiddellijke aandacht vereisen. In de tussentijd, met een database van alle soorten voltooid, zijn er inspanningen aan de gang om te beginnen met het behoud van de soort in genenbanken om hun waardevolle eigenschappen te behouden.

De wereld begint nu pas het belang van CWR's en andere wilde planten te beseffen in de strijd om de effecten van het broeikaseffect te verzachten en de economische stabiliteit van de landbouw te verzekeren. Onderzoeker Shelagh Kell zei dat de betrokken politiek ongelooflijk complex is en dat "dringende aandacht moet worden besteed aan China's CWR om ervoor te zorgen dat ze voldoende worden bewaard, zodat deze diversiteit beschikbaar is voor gebruik in programma's voor gewasverbetering voordat deze voor altijd verloren is. ”