โรคพืชและแมลงศัตรูพืช

ความเสียหายที่เกิดกับพืชที่เกิดจากการแข่งขันของวัชพืชและศัตรูพืชอื่นๆ เช่น ไวรัส แบคทีเรีย เชื้อรา และแมลง ส่งผลให้ผลผลิตของพืชลดลงอย่างมาก และในบางกรณีอาจทำลายพืชผลได้อย่างสิ้นเชิง ปัจจุบัน ผลผลิตพืชผลที่น่าเชื่อถือได้มาจากการเลือกใช้พันธุ์พืชที่ต้านทานโรค การควบคุมศัตรูพืชโดยวิธีทางชีวภาพ และการใช้ยาฆ่าแมลงเพื่อควบคุมโรคพืช แมลง วัชพืช และศัตรูพืชอื่นๆ ในปี พ.ศ. 2526 มีการใช้จ่ายเงิน 1.3 พันล้านดอลลาร์สหรัฐไปกับยาฆ่าแมลง (ไม่รวมยาฆ่าวัชพืช) เพื่อป้องกันและจำกัดความเสียหายที่เกิดกับพืชผลจากโรคพืช ไส้เดือนฝอย และแมลง ความเสียหายที่อาจเกิดขึ้นกับพืชผลหากไม่ใช้ยาฆ่าแมลงนั้นมีมูลค่าสูงกว่ามูลค่าดังกล่าวอย่างมาก

เป็นเวลาประมาณ 100 ปีแล้วที่การปรับปรุงพันธุ์พืชเพื่อต้านทานโรคเป็นองค์ประกอบสำคัญของผลผลิตทางการเกษตรทั่วโลก แต่ความสำเร็จที่ได้จากการปรับปรุงพันธุ์พืชส่วนใหญ่เป็นเพียงผลการทดลองเชิงประจักษ์และอาจมีระยะเวลาสั้น กล่าวคือ เนื่องจากขาดข้อมูลพื้นฐานเกี่ยวกับหน้าที่ของยีนที่ต้านทานโรค การศึกษาจึงมักเป็นแบบสุ่มมากกว่าการสำรวจเฉพาะเจาะจง นอกจากนี้ ผลลัพธ์ใดๆ อาจอยู่ได้ไม่นานเนื่องจากลักษณะเฉพาะของเชื้อโรคและศัตรูพืชอื่นๆ ที่เปลี่ยนแปลงไป เมื่อมีการนำข้อมูลทางพันธุกรรมใหม่ๆ เข้าสู่ระบบนิเวศเกษตรที่ซับซ้อน

ตัวอย่างที่ดีเยี่ยมของผลกระทบของการเปลี่ยนแปลงทางพันธุกรรมคือลักษณะละอองเรณูที่เป็นหมันซึ่งถูกเพาะพันธุ์ในข้าวโพดพันธุ์หลักส่วนใหญ่เพื่อช่วยในการผลิตเมล็ดลูกผสม พืชที่มีไซโทพลาสซึมเท็กซัส (T) จะถ่ายทอดลักษณะที่เป็นหมันของเพศผู้นี้ผ่านไซโทพลาสซึม ซึ่งเกี่ยวข้องกับไมโทคอนเดรียชนิดหนึ่ง ไมโทคอนเดรียเหล่านี้ยังไม่เป็นที่รู้จักของนักเพาะพันธุ์ และยังมีความเสี่ยงต่อสารพิษที่เชื้อราก่อโรคผลิตออกมาด้วยเฮลมินทอสปอเรียมเมย์ดิสผลที่ตามมาคือโรคใบไหม้ของข้าวโพดระบาดในอเมริกาเหนือในช่วงฤดูร้อนปีพ.ศ. 2513

วิธีการที่ใช้ในการค้นพบสารเคมีกำจัดศัตรูพืชส่วนใหญ่ก็เป็นแบบเชิงประจักษ์ เนื่องจากมีข้อมูลเบื้องต้นเกี่ยวกับกลไกการออกฤทธิ์น้อยมากหรือแทบไม่มีเลย สารเคมีจึงถูกทดสอบเพื่อคัดเลือกสารเคมีที่สามารถฆ่าแมลง เชื้อรา หรือวัชพืชเป้าหมายได้ แต่ไม่เป็นอันตรายต่อพืชผลหรือสิ่งแวดล้อม

แนวทางเชิงประจักษ์ประสบความสำเร็จอย่างมากในการควบคุมศัตรูพืชบางชนิด โดยเฉพาะวัชพืช โรคเชื้อรา และแมลง แต่การต่อสู้ยังคงดำเนินต่อไป เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงทางพันธุกรรมของศัตรูพืชเหล่านี้มักจะสามารถฟื้นฟูความรุนแรงของศัตรูพืชให้กลับมาสูงกว่าพันธุ์พืชที่ต้านทาน หรือทำให้ศัตรูพืชต้านทานยาฆ่าแมลงได้ สิ่งที่ขาดหายไปจากวัฏจักรของความอ่อนไหวและการต้านทานที่ดูเหมือนจะไม่มีที่สิ้นสุดนี้คือความเข้าใจที่ชัดเจนเกี่ยวกับทั้งสิ่งมีชีวิตและพืชที่พวกมันโจมตี เมื่อความรู้เกี่ยวกับศัตรูพืช ทั้งทางพันธุกรรม ชีวเคมี และสรีรวิทยาของศัตรูพืช สิ่งมีชีวิตที่พวกมันอาศัยอยู่ และปฏิสัมพันธ์ระหว่างพวกมันเพิ่มมากขึ้น มาตรการควบคุมศัตรูพืชที่มีประสิทธิภาพและตรงจุดมากขึ้นก็จะถูกคิดค้นขึ้น

บทนี้ระบุแนวทางการวิจัยหลายวิธีเพื่อทำความเข้าใจกลไกทางชีววิทยาพื้นฐานที่อาจนำมาใช้ในการควบคุมเชื้อโรคพืชและแมลงได้ดียิ่งขึ้น ชีววิทยาโมเลกุลนำเสนอเทคนิคใหม่ๆ สำหรับการแยกและศึกษาการทำงานของยีน การมีอยู่ของพืชอาศัยที่อ่อนแอและต้านทาน รวมถึงเชื้อโรคที่ก่อโรคและไม่ก่อโรค สามารถนำมาใช้ประโยชน์เพื่อระบุและแยกยีนที่ควบคุมปฏิสัมพันธ์ระหว่างพืชอาศัยและเชื้อโรคได้ การศึกษาโครงสร้างละเอียดของยีนเหล่านี้สามารถนำไปสู่เบาะแสเกี่ยวกับปฏิสัมพันธ์ทางชีวเคมีที่เกิดขึ้นระหว่างสิ่งมีชีวิตทั้งสอง และการควบคุมยีนเหล่านี้ในเชื้อโรคและในเนื้อเยื่อของพืช ในอนาคต ควรมีความเป็นไปได้ที่จะปรับปรุงวิธีการและโอกาสในการถ่ายทอดลักษณะที่ต้องการเพื่อต้านทานไปยังพืชผล และในทางกลับกัน สามารถสร้างเชื้อโรคที่ก่อโรคร้ายแรงต่อวัชพืชหรือศัตรูพืชชนิดขาปล้องบางชนิดได้ ความเข้าใจที่เพิ่มมากขึ้นเกี่ยวกับระบบประสาทวิทยาของแมลง ตลอดจนเคมีและการกระทำของสารปรับเปลี่ยน เช่น ฮอร์โมนต่อมไร้ท่อที่ควบคุมการเปลี่ยนแปลงรูปร่าง การจำศีล และการสืบพันธุ์ จะเปิดแนวทางใหม่ในการควบคุมแมลงศัตรูพืชโดยการรบกวนสรีรวิทยาและพฤติกรรมในระยะสำคัญของวงจรชีวิต