Tråkiga växter som vattenhampa, hästgräs, och cheatgrass har tagit sig in i odlings- och utmarker runt om i världen. Med sin snabbt växande och produktiva närvaro, ogräs får ofta grödor att växa sig höga och spinkiga, leder till dålig skörd. hästgräs, till exempel, har visat sig minska sojaskörden med 83 procent.
Herbicider kan hjälpa till att bekämpa problemet, men ett växande motstånd mot kemikalierna gör ogräshanteringen allt tuffare.
Ian Heap är en ogräsforskare som driver weedscience.org, en webbplats som spårar herbicidresistens runt om i världen. Över 400 forskare matar högdata om vilka ogräs har blivit immuna mot herbicider.
"Bönden har slut på alternativ, säger Heap,
Det är därför som vissa forskare har börjat tänka mindre. Mikroskopisk, även.
Under de senaste tio åren, några dussin forskare har vänt sig till genomik för att förstå varför vissa ogräs har utvecklat herbicidresistens eller blivit mer invasiva.
Under de senaste tio åren, några dussin forskare har vänt sig till genomik för att förstå varför vissa ogräs har utvecklat herbicidresistens eller blivit mer invasiva. Genomics tid i rampljuset beror till stor del på media surrande kring The Human Genome Project, en massiv internationell ansträngning som ägnas åt att avslöja hemligheterna bakom mänskligt DNA. Men växter har genom, för.
Enkelt uttryckt, ett genom är ritningen för en organisms blodlinje - egenskaperna som överförs från förälder till avkomma. Det är vanligtvis kodat i DNA:t. Genom att använda olika DNA-sekvenseringstekniker, några har helt eller delvis kartlagt olika grödors ogräsgenom. Och även om den dyra strävan inte kan ge omedelbara svar på de problem som bönder står inför på fältet, det kan ge data för att göra mer effektiva herbicider längre fram.
Vattenhampa är ett ogräs som orsakar stora problem för bönder i Mellanvästern. Infödd i de sumpiga områdena Illinois och Missouri, den långa, upprätt ogräs med oansenliga blommor har hittat ett nytt hem i sojabönor och majsfält i regionen. Tjugo år sedan, de flesta människor i Illinois "hade aldrig ens hört talas om vattenhampa, säger Patrick Tranel, en ogräsforskare från University of Illinois i Urbana-Champaign. "Nu, det är det värsta ogräset."
Waterhamp producerar miljontals frön och gror flera gånger under en växtsäsong. Detta har gett den en anmärkningsvärd genetisk mångfald. Den har en snabb och listig förmåga att anpassa sig till sin omgivning, och har till och med utvecklat en resistens mot den aktiva ingrediensen – glyfosat – i Monsantos herbicid Roundup. "Du kan inte spraya din åker en gång och lösa problemet med vattenhampa. Nästa gång det regnar kommer det mer upp, säger Tranel.
En skärmdump av weedscience.org.
Tillbaka 2009, Tranels labb sekvenserade slumpmässigt vattenhampgenomet för att leta efter gener som kan vara involverade i herbicidresistens – det betyder att de bara sekvenserade delar av genomet, snarare än det hela. Att kartlägga hela genomet var (och är) för kostsamt, men hagelgevärsmetoden gav tillräckligt med insikt i waterhamps genetiska sammansättning för att testa för specifika mutationer som omintetgör effekterna av glyfosat och andra herbicider. Även om Tranel skulle vilja kartlägga hela genomet av vattenhampa, brist på tillgänglig finansiering och överkomliga DNA-sekvenseringstekniker gör det svårt att genomföra.
Glyfosatresistens är inte unik för vattenhampa; nästan 30 ogräsarter runt om i världen svarar inte längre på Roundup. Även om bara en handfull ogräs orsakar allvarlig skada för bönder, att förstå vilka gener som är ansvariga för denna evolutionära anpassning är avgörande för framtida ogräshantering.
Neal Stewart insåg detta tidigt, och när den glyfosatresistenta hästgräset tog sig till Tennessee 2002, hans intresse väcktes. Under 2005, växtforskarens labb vid University of Tennessee började koda hästgräsgenomet. Över åren, mycket av Stewarts finansiering har kommit från Monsanto tillsammans med U.S.A. Department of Agriculture (USDA) och Tennessee Soybean Promotion Board.
Hästgräs kommer att vara det första ogräset som får hela genomet sekvenserat, med Stewart som hoppas kunna publicera sina resultat senare i år.
Bönder använder Roundup på miljontals hektar odlingsmark runt om i USA och världen, dess räckvidd överträffar vida alla andra ofta använda herbicider. Även om Stewarts labb driver arbetet, forskare överallt, inklusive de i Monsanto, kommer att ha tillgång till den genetiska informationen när den släpps till allmänheten.
"Genom att studera resistensmekanismer hoppas vi kunna förstå dessa typer av svagheter till böndernas fördel, säger Doug Sammons, en kemist på Monsanto som har samarbetat med Stewart under de senaste tio åren. Den genomiska informationen om hästgräs kommer sannolikt att hjälpa till att bestämma de bästa metoderna för att hantera ogräset snarare än bara nya ogräsbekämpande upptäckter.
Även om kartläggning av ogräsgenom hjälper forskare att lära sig mer om herbicidresistens, inte alla ogräs är bra kandidater för sekvensering. Vissa, som cheatgrass, har en enorm mängd gener i sitt genom, gör det helt enkelt för kostsamt att kartlägga med tanke på nuvarande teknik.
'Majs, människor, och cheatgrass har alla genom ungefär samma storlek, säger Craig Coleman, en ogräsforskare vid Brigham Young University. "Så det är väldigt komplicerat."
"Majs, människor, och cheatgrass har alla genom ungefär samma storlek, säger Craig Coleman, en ogräsforskare vid Brigham Young University i Provo, Utah som har studerat ogräset i över tio år. "Så det är väldigt komplicerat."
Gräsmarken förstör särskilt förödelse i de västra staterna som Idaho, Utah, Nevada, Colorado, Arizona och New Mexico, och är en viktig bränslekälla för markbränder. Fortfarande, sekvensering av genomet av cheatgrass "har aldrig slagit mig in i huvudet", säger Coleman.
Istället, Coleman och hans medarbetare vid USDA Forest Service har kartlagt genomet av en svamp som de kallar "The Black Fingers of Death, ” för patogenens svarta strängar som uppslukar och förstör cheatgrassfrön, men påverkar inte andra grödor. Svampens genetiska information har hjälpt forskarna att identifiera vissa gener som kan producera frödödande toxiner.
Men genomik är inget magiskt piller. Även om vi kände till den genetiska informationen om varje ogräs vi känner till nu, det skulle inte lösa problemet. Adaptiv av naturen, nytt ogräs som vattenhampa kommer upp. Jordbrukare måste använda resurser som Heaps webbplats, genetiska framsteg och traditionella ogräshanteringstekniker som jordbearbetning och till och med handrensning för att bekämpa skadedjuren.
Tills vidare, forskare väntar ivrigt på billigare, förbättrad DNA-sekvenseringsteknik för att hjälpa deras projekt vidare.
"USDA är definitivt intresserad av ogräsgenomik, säger David Horvath, en växtforskare i organisationen. På hans radar finns teknik från Pacific Biosystems och Oxford Nanopore Technology, både företag som producerar teknik som skulle kunna göra sekvenseringsarbetet enklare och mer exakt.
Sålänge, bönder lämnas med nuvarande herbicider.
"ogräs är vilda växter, de är inte laboratorieväxter, ” säger Horvath. Så "de är bara svårare att arbeta med."
Drömmen? Det arbetet utfört av hans labb och andra forskare kommer att hjälpa kemiska företag att utveckla herbicider som riktar sig mot specifika gener, besläktad med design av läkemedelsutveckling inom läkemedelsindustrin.
"Det är vår förhoppning på lång sikt, ” säger Horvath.
(Fotokredit:Flickr-användare Robb Hannawacker/CC2.0)
