Bệnh thực vật và sâu hại

Sự cạnh tranh từ cỏ dại và các loại sâu bệnh khác, bao gồm virus, vi khuẩn, nấm và côn trùng, gây hại cho cây trồng, làm giảm đáng kể năng suất và trong một số trường hợp có thể phá hủy hoàn toàn mùa màng. Ngày nay, năng suất cây trồng ổn định được đạt được bằng cách sử dụng các giống kháng bệnh, các biện pháp kiểm soát sinh học và sử dụng thuốc trừ sâu để kiểm soát bệnh thực vật, côn trùng, cỏ dại và các loại sâu bệnh khác. Năm 1983, 1,3 tỷ đô la đã được chi cho thuốc trừ sâu – không bao gồm thuốc diệt cỏ – để bảo vệ và hạn chế thiệt hại cho cây trồng do bệnh thực vật, tuyến trùng và côn trùng gây ra. Thiệt hại tiềm tàng về mùa màng nếu không sử dụng thuốc trừ sâu vượt xa con số đó.

Trong khoảng 100 năm qua, việc lai tạo giống cây trồng kháng bệnh đã là một thành phần quan trọng của năng suất nông nghiệp trên toàn thế giới. Tuy nhiên, những thành công đạt được trong công tác lai tạo giống cây trồng chủ yếu mang tính kinh nghiệm và có thể chỉ tồn tại trong thời gian ngắn. Cụ thể, do thiếu thông tin cơ bản về chức năng của các gen kháng bệnh, các nghiên cứu thường mang tính ngẫu nhiên hơn là những khám phá có mục tiêu cụ thể. Thêm vào đó, bất kỳ kết quả nào cũng có thể không bền vững do bản chất thay đổi của mầm bệnh và các loại sâu hại khác khi thông tin di truyền mới được đưa vào các hệ sinh thái nông nghiệp phức tạp.

Một ví dụ tuyệt vời về tác động của biến đổi gen là đặc điểm phấn hoa vô sinh được lai tạo vào hầu hết các giống ngô chính để hỗ trợ sản xuất hạt giống lai. Cây chứa tế bào chất Texas (T) truyền đặc điểm vô sinh đực này thông qua tế bào chất; nó liên quan đến một loại ty thể đặc biệt. Điều mà các nhà lai tạo không biết là những ty thể này cũng mang tính dễ bị tổn thương trước một loại độc tố do nấm gây bệnh sản sinh ra.HelminthosporiummaydisKết quả là dịch bệnh cháy lá ngô bùng phát ở Bắc Mỹ vào mùa hè năm 1970.

Các phương pháp được sử dụng trong việc phát hiện các hóa chất thuốc trừ sâu cũng chủ yếu mang tính thực nghiệm. Với rất ít hoặc không có thông tin trước đó về cơ chế hoạt động, các hóa chất được thử nghiệm để chọn ra những chất có thể tiêu diệt côn trùng, nấm hoặc cỏ dại mục tiêu nhưng không gây hại cho cây trồng hoặc môi trường.

Các phương pháp thực nghiệm đã mang lại những thành công to lớn trong việc kiểm soát một số loài gây hại, đặc biệt là cỏ dại, bệnh nấm và côn trùng, nhưng cuộc chiến vẫn tiếp diễn, vì những thay đổi di truyền ở các loài gây hại này thường có thể khôi phục khả năng gây hại của chúng đối với giống cây trồng kháng bệnh hoặc làm cho chúng kháng thuốc trừ sâu. Điều còn thiếu trong chu kỳ mẫn cảm và kháng thuốc dường như vô tận này là sự hiểu biết rõ ràng về cả sinh vật và cây trồng mà chúng tấn công. Khi kiến ​​thức về các loài gây hại—di truyền, sinh hóa và sinh lý của chúng, vật chủ và sự tương tác giữa chúng—tăng lên, các biện pháp kiểm soát dịch hại hiệu quả và hướng đến mục tiêu tốt hơn sẽ được đề ra.

Chương này xác định một số phương pháp nghiên cứu nhằm hiểu rõ hơn các cơ chế sinh học cơ bản có thể được khai thác để kiểm soát mầm bệnh thực vật và côn trùng. Sinh học phân tử cung cấp các kỹ thuật mới để phân lập và nghiên cứu hoạt động của gen. Sự tồn tại của cây chủ mẫn cảm và kháng bệnh, cũng như mầm bệnh độc lực và không độc lực, có thể được khai thác để xác định và phân lập các gen kiểm soát sự tương tác giữa cây chủ và mầm bệnh. Nghiên cứu cấu trúc chi tiết của các gen này có thể dẫn đến những manh mối về các tương tác sinh hóa xảy ra giữa hai sinh vật và sự điều hòa của các gen này trong mầm bệnh và trong mô thực vật. Trong tương lai, có thể cải thiện các phương pháp và cơ hội chuyển giao các đặc tính mong muốn về khả năng kháng bệnh vào cây trồng và ngược lại, tạo ra các mầm bệnh có độc lực đối với một số loại cỏ dại hoặc sâu hại được chọn lọc. Việc hiểu biết sâu sắc hơn về sinh học thần kinh của côn trùng và hóa học cũng như hoạt động của các chất điều hòa, chẳng hạn như các hormone nội tiết điều hòa quá trình biến thái, ngủ đông và sinh sản, sẽ mở ra những hướng đi mới để kiểm soát sâu hại bằng cách làm gián đoạn sinh lý và hành vi của chúng ở các giai đoạn quan trọng trong vòng đời.