โรคพืชและแมลงศัตรูพืช

ความเสียหายที่เกิดขึ้นกับพืชจากการแข่งขันกับวัชพืชและศัตรูพืชอื่นๆ รวมถึงไวรัส แบคทีเรีย เชื้อรา และแมลง ทำให้ผลผลิตลดลงอย่างมาก และในบางกรณีอาจทำลายพืชผลทั้งหมดได้ ปัจจุบัน ผลผลิตพืชที่เชื่อถือได้นั้นได้มาจากการใช้พันธุ์พืชต้านทานโรค การควบคุมทางชีวภาพ และการใช้สารกำจัดศัตรูพืชเพื่อควบคุมโรคพืช แมลง วัชพืช และศัตรูพืชอื่นๆ ในปี 1983 มีการใช้จ่ายเงิน 1.3 พันล้านดอลลาร์สหรัฐไปกับสารกำจัดศัตรูพืช (ไม่รวมสารกำจัดวัชพืช) เพื่อปกป้องและจำกัดความเสียหายต่อพืชผลจากโรคพืช ไส้เดือนฝอย และแมลง การสูญเสียพืชผลที่อาจเกิดขึ้นหากไม่มีการใช้สารกำจัดศัตรูพืชมีมูลค่ามากกว่านั้นมาก

ตลอดระยะเวลาประมาณ 100 ปีที่ผ่านมา การปรับปรุงพันธุ์พืชเพื่อต้านทานโรคเป็นองค์ประกอบสำคัญของผลผลิตทางการเกษตรทั่วโลก แต่ความสำเร็จที่ได้จากการปรับปรุงพันธุ์พืชส่วนใหญ่เป็นเพียงการลองผิดลองถูกและอาจไม่ยั่งยืน กล่าวคือ เนื่องจากขาดข้อมูลพื้นฐานเกี่ยวกับหน้าที่ของยีนต้านทานโรค การศึกษาจึงมักเป็นการสุ่มมากกว่าการสำรวจที่มุ่งเป้าหมายอย่างเฉพาะเจาะจง นอกจากนี้ ผลลัพธ์ใดๆ ก็อาจคงอยู่ได้ไม่นานเนื่องจากลักษณะของเชื้อโรคและศัตรูพืชอื่นๆ เปลี่ยนแปลงไปเมื่อมีการนำข้อมูลทางพันธุกรรมใหม่ๆ เข้าสู่ระบบนิเวศเกษตรที่ซับซ้อน

ตัวอย่างที่ยอดเยี่ยมของการเปลี่ยนแปลงทางพันธุกรรมคือลักษณะละอองเรณูที่เป็นหมัน ซึ่งถูกนำมาใช้ในการปรับปรุงพันธุ์ข้าวโพดสายพันธุ์หลักส่วนใหญ่ เพื่อช่วยในการผลิตเมล็ดพันธุ์ลูกผสม พืชที่มีไซโตพลาซึมแบบเท็กซัส (T) จะถ่ายทอดลักษณะที่เป็นหมันเพศผู้ผ่านทางไซโตพลาซึม โดยเกี่ยวข้องกับไมโทคอนเดรียชนิดหนึ่ง ซึ่งนักปรับปรุงพันธุ์ไม่ทราบมาก่อนว่า ไมโทคอนเดรียเหล่านี้ยังมีความอ่อนแอต่อสารพิษที่ผลิตโดยเชื้อราก่อโรคอีกด้วยเฮลมินโทสปอเรียมเมย์ดิสผลที่ตามมาคือการระบาดของโรคใบไหม้ข้าวโพดในทวีปอเมริกาเหนือในช่วงฤดูร้อนปี 1970

วิธีการที่ใช้ในการค้นพบสารเคมีกำจัดศัตรูพืชส่วนใหญ่ก็เป็นไปในลักษณะเชิงประจักษ์เช่นกัน โดยมีข้อมูลเกี่ยวกับกลไกการออกฤทธิ์น้อยมากหรือไม่มีเลย สารเคมีจึงถูกทดสอบเพื่อคัดเลือกสารที่สามารถฆ่าแมลง เชื้อรา หรือวัชพืชเป้าหมายได้ แต่ไม่เป็นอันตรายต่อพืชผลหรือสิ่งแวดล้อม

วิธีการเชิงประจักษ์ประสบความสำเร็จอย่างมากในการควบคุมศัตรูพืชบางชนิด โดยเฉพาะวัชพืช โรคเชื้อรา และแมลง แต่การต่อสู้ยังคงดำเนินต่อไปเรื่อย ๆ เนื่องจากความเปลี่ยนแปลงทางพันธุกรรมในศัตรูพืชเหล่านี้มักจะทำให้พวกมันกลับมามีฤทธิ์รุนแรงต่อพืชพันธุ์ต้านทาน หรือทำให้ศัตรูพืชต้านทานต่อยาฆ่าแมลงได้ สิ่งที่ขาดหายไปจากวงจรความอ่อนแอและการต้านทานที่ดูเหมือนไม่มีที่สิ้นสุดนี้ คือความเข้าใจที่ชัดเจนทั้งในตัวสิ่งมีชีวิตและพืชที่พวกมันโจมตี เมื่อความรู้เกี่ยวกับศัตรูพืช—พันธุกรรม ชีวเคมี และสรีรวิทยาของพวกมัน โฮสต์ของพวกมัน และปฏิสัมพันธ์ระหว่างพวกมัน—เพิ่มมากขึ้น มาตรการควบคุมศัตรูพืชที่ตรงเป้าหมายและมีประสิทธิภาพมากขึ้นก็จะถูกคิดค้นขึ้น

บทนี้ระบุแนวทางการวิจัยหลายประการเพื่อทำความเข้าใจกลไกทางชีววิทยาพื้นฐานที่อาจนำมาใช้ในการควบคุมเชื้อโรคพืชและแมลงศัตรูพืชได้ดียิ่งขึ้น ชีววิทยาระดับโมเลกุลนำเสนอเทคนิคใหม่สำหรับการแยกและศึกษาการทำงานของยีน การมีอยู่ของพืชเจ้าบ้านที่อ่อนแอและต้านทานโรค รวมถึงเชื้อโรคที่รุนแรงและไม่รุนแรง สามารถนำมาใช้ในการระบุและแยกยีนที่ควบคุมปฏิสัมพันธ์ระหว่างพืชเจ้าบ้านและเชื้อโรคได้ การศึกษาโครงสร้างละเอียดของยีนเหล่านี้สามารถนำไปสู่เบาะแสเกี่ยวกับปฏิสัมพันธ์ทางชีวเคมีที่เกิดขึ้นระหว่างสิ่งมีชีวิตทั้งสอง และการควบคุมยีนเหล่านี้ในเชื้อโรคและในเนื้อเยื่อของพืช ในอนาคตน่าจะสามารถปรับปรุงวิธีการและโอกาสในการถ่ายทอดลักษณะที่พึงประสงค์เพื่อความต้านทานไปยังพืชผล และในทางกลับกัน สร้างเชื้อโรคที่จะรุนแรงต่อวัชพืชหรือศัตรูพืชจำพวกแมลงที่เลือกไว้ได้ ความเข้าใจที่เพิ่มมากขึ้นเกี่ยวกับระบบประสาทของแมลง ตลอดจนเคมีและการทำงานของสารควบคุมต่างๆ เช่น ฮอร์โมนต่อมไร้ท่อที่ควบคุมการเปลี่ยนแปลงรูปร่าง การจำศีล และการสืบพันธุ์ จะเปิดช่องทางใหม่ในการควบคุมแมลงศัตรูพืชโดยการรบกวนสรีรวิทยาและพฤติกรรมของพวกมันในระยะสำคัญของวงจรชีวิต