โรคพืชและแมลงศัตรูพืช

ความเสียหายที่เกิดกับพืชที่เกิดจากการแข่งขันจากวัชพืชและศัตรูพืชอื่นๆ รวมทั้งไวรัส แบคทีเรีย เชื้อรา และแมลง ทำให้ผลผลิตของพืชลดลงอย่างมาก และในบางกรณีอาจทำลายพืชผลได้หมดสิ้น ปัจจุบัน ผลผลิตพืชผลที่เชื่อถือได้ได้มาโดยใช้พันธุ์ที่ต้านทานโรค แนวทางการควบคุมทางชีวภาพ และการใช้ยาฆ่าแมลงเพื่อควบคุมโรคพืช แมลง วัชพืช และศัตรูพืชอื่นๆ ในปี 1983 มีการใช้จ่ายเงิน 1.3 พันล้านดอลลาร์สำหรับยาฆ่าแมลง (ไม่รวมยาฆ่าหญ้า) เพื่อปกป้องและจำกัดความเสียหายที่เกิดกับพืชผลจากโรคพืช ไส้เดือนฝอย และแมลง การสูญเสียพืชผลที่อาจเกิดขึ้นในกรณีที่ไม่มีการใช้ยาฆ่าแมลงนั้นเกินกว่ามูลค่าดังกล่าวอย่างมาก

เป็นเวลากว่า 100 ปีแล้วที่การปรับปรุงพันธุ์พืชเพื่อต้านทานโรคเป็นองค์ประกอบสำคัญต่อผลผลิตทางการเกษตรทั่วโลก แต่ความสำเร็จที่ได้จากการปรับปรุงพันธุ์พืชส่วนใหญ่เป็นเพียงผลจากประสบการณ์จริงและอาจเป็นไปเพียงชั่วคราว กล่าวคือ เนื่องจากขาดข้อมูลพื้นฐานเกี่ยวกับหน้าที่ของยีนที่ต้านทานโรค การศึกษาจึงมักเป็นแบบสุ่มมากกว่าการสำรวจเฉพาะเจาะจง นอกจากนี้ ผลลัพธ์อาจมีอายุสั้นเนื่องจากธรรมชาติของเชื้อก่อโรคและศัตรูพืชอื่นๆ ที่เปลี่ยนแปลงไปเมื่อมีการนำข้อมูลทางพันธุกรรมใหม่ๆ เข้าไปในระบบนิเวศทางการเกษตรที่ซับซ้อน

ตัวอย่างที่ดีเยี่ยมของผลกระทบของการเปลี่ยนแปลงทางพันธุกรรมคือลักษณะละอองเรณูที่เป็นหมันซึ่งผสมพันธุ์กับข้าวโพดพันธุ์หลักส่วนใหญ่เพื่อช่วยในการผลิตเมล็ดลูกผสม พืชที่มีไซโทพลาสซึม Texas (T) จะถ่ายทอดลักษณะหมันของตัวผู้ผ่านไซโทพลาสซึม ซึ่งเกี่ยวข้องกับไมโตคอนเดรียประเภทหนึ่งโดยเฉพาะ ผู้เพาะพันธุ์ไม่ทราบว่าไมโตคอนเดรียเหล่านี้ยังมีความเปราะบางต่อสารพิษที่ผลิตโดยเชื้อราที่ก่อโรคอีกด้วยเฮลมินโธสโปเรียมเมย์ดิสผลลัพธ์คือโรคใบไหม้ข้าวโพดระบาดในอเมริกาเหนือในช่วงฤดูร้อนปี พ.ศ. 2513

วิธีการที่ใช้ในการค้นพบสารเคมีกำจัดศัตรูพืชส่วนใหญ่ก็เป็นแบบเชิงประจักษ์ โดยมีข้อมูลล่วงหน้าเพียงเล็กน้อยหรือไม่มีเลยเกี่ยวกับกลไกการออกฤทธิ์ สารเคมีจึงถูกทดสอบเพื่อคัดเลือกสารที่สามารถฆ่าแมลง เชื้อรา หรือวัชพืชเป้าหมายได้ แต่ไม่เป็นอันตรายต่อพืชผลหรือสิ่งแวดล้อม

แนวทางเชิงประจักษ์ได้ให้ผลสำเร็จอย่างมหาศาลในการควบคุมศัตรูพืชบางชนิด โดยเฉพาะวัชพืช โรคเชื้อรา และแมลง แต่การต่อสู้ยังคงดำเนินต่อไป เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงทางพันธุกรรมในศัตรูพืชเหล่านี้มักจะทำให้พืชพันธุ์ที่ต้านทานโรคกลับมามีพิษอีกครั้ง หรือทำให้ศัตรูพืชต้านทานยาฆ่าแมลงได้ สิ่งที่ขาดหายไปจากวัฏจักรของความอ่อนไหวและการต้านทานที่ดูเหมือนไม่มีที่สิ้นสุดนี้คือความเข้าใจที่ชัดเจนเกี่ยวกับสิ่งมีชีวิตและพืชที่ศัตรูพืชโจมตี เมื่อมีความรู้เกี่ยวกับศัตรูพืชมากขึ้น ไม่ว่าจะเป็นด้านพันธุกรรม ชีวเคมี และสรีรวิทยาของศัตรูพืช เจ้าบ้าน และปฏิสัมพันธ์ระหว่างพวกมัน ก็จะสามารถออกแบบมาตรการควบคุมศัตรูพืชที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นและมีทิศทางที่ดีขึ้นได้

บทนี้จะระบุแนวทางการวิจัยหลายวิธีเพื่อให้เข้าใจกลไกทางชีววิทยาพื้นฐานที่อาจนำมาใช้ควบคุมเชื้อก่อโรคในพืชและแมลงได้ดีขึ้น ชีววิทยาโมเลกุลเสนอเทคนิคใหม่ๆ สำหรับการแยกและศึกษาการทำงานของยีน การมีอยู่ของพืชเจ้าบ้านที่อ่อนไหวและต้านทานได้ และเชื้อก่อโรคที่ก่อโรครุนแรงและไม่ก่อโรคสามารถใช้ประโยชน์เพื่อระบุและแยกยีนที่ควบคุมปฏิสัมพันธ์ระหว่างเจ้าบ้านและเชื้อก่อโรค การศึกษาโครงสร้างละเอียดของยีนเหล่านี้สามารถนำไปสู่เบาะแสเกี่ยวกับปฏิสัมพันธ์ทางชีวเคมีที่เกิดขึ้นระหว่างสิ่งมีชีวิตทั้งสอง และการควบคุมยีนเหล่านี้ในเชื้อก่อโรคและในเนื้อเยื่อของพืช ในอนาคต ควรมีความเป็นไปได้ที่จะปรับปรุงวิธีการและโอกาสในการถ่ายโอนลักษณะที่พึงประสงค์เพื่อต้านทานพืชผล และในทางกลับกัน สามารถสร้างเชื้อก่อโรคที่ก่อโรคร้ายแรงต่อวัชพืชหรือแมลงศัตรูพืชที่เลือกไว้ได้ ความเข้าใจที่เพิ่มขึ้นเกี่ยวกับประสาทชีววิทยาของแมลง ตลอดจนสารเคมีและการทำงานของสารปรับเปลี่ยน เช่น ฮอร์โมนต่อมไร้ท่อที่ควบคุมการเปลี่ยนแปลงรูปร่าง การจำศีล และการสืบพันธุ์ จะเปิดหนทางใหม่ๆ ในการควบคุมแมลงศัตรูพืชโดยการทำลายสรีรวิทยาและพฤติกรรมของแมลงในช่วงสำคัญของวงจรชีวิต