คลื่นความร้อนทำให้เกิดวิกฤตละอองเกสรอย่างไร

พืชผลหลายชนิดที่เราพึ่งพาอาศัยจำเป็นต้องผสมเกสรเพื่อผลิตอาหาร แต่ความร้อนจัดสามารถทำลายละอองเกสรได้ ในโลกที่อุณหภูมิสูงขึ้นเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ นักวิทยาศาสตร์กำลังค้นหาวิธีแก้ปัญหา

เมื่อเดือนมิถุนายนที่แล้ว Aaron Flansburg รู้สึกว่าอุณหภูมิพุ่งสูงขึ้นและรู้ว่าสิ่งนี้มีความหมายอย่างไรต่อการปลูกพืชคาโนลาของเขา เกษตรกรรุ่นที่ 5 ในรัฐวอชิงตัน ทางตะวันตกเฉียงเหนือของสหรัฐอเมริกา ฟลานส์เบิร์กได้ปลูกต้นคาโนลาให้บานสะพรั่งในช่วงสัปดาห์ที่อากาศเย็นของต้นฤดูร้อน แต่ปีที่แล้ว ทุ่งของเขาโดนความร้อนถึง 108F (42C) ทันทีที่ดอกไม้บาน “แทบไม่เคยได้ยินมาก่อนว่าพื้นที่ของเราจะมีอุณหภูมิเช่นนี้ในเดือนมิถุนายน” เขากล่าว

บุปผาสีเหลืองร้อนระอุ การสืบพันธุ์หยุดชะงัก และเมล็ดพืชจำนวนมากที่จะถูกอัดเป็นน้ำมันคาโนลาไม่เคยเกิดขึ้น Flansburg ให้ผลผลิตประมาณ 600-800lbs (272-363kg) ต่อเอเคอร์ ในปีที่แล้วภายใต้สภาพอากาศที่เหมาะสม เขาสามารถเข้าถึงพื้นที่สูงถึง 2,700 ปอนด์ (1,225 กิโลกรัม) ต่อเอเคอร์ 

มีหลายปัจจัยที่ส่งผลต่อการเก็บเกี่ยวที่ไม่ดี – ความร้อนและความแห้งแล้งยังคงมีอยู่ตลอดฤดูปลูก แต่ประเด็นหนึ่งเริ่มชัดเจนขึ้นสำหรับนักวิทยาศาสตร์อย่างน่าตกใจ: ความร้อนเป็นตัวฆ่าละอองเกสร

แม้จะมีน้ำเพียงพอ ความร้อนก็สามารถทำลายละอองเกสรและป้องกันการปฏิสนธิในคาโนลา  และพืชผลอื่นๆ ได้มากมาย รวม  ทั้งข้าวโพดถั่ว  ลิสงและ  ข้าว ด้วยเหตุนี้ เกษตรกรจำนวนมากจึงตั้งเป้าให้พืชผลบานก่อนอุณหภูมิจะสูงขึ้น

แต่เมื่อการเปลี่ยนแปลงของสภาพอากาศเพิ่มจำนวนวันที่อุณหภูมิสูงกว่า 90F (32C) ในภูมิภาคต่างๆ ทั่วโลก และความร้อนจัดที่ยืดเยื้อเป็นเวลาหลายวัน  กลายเป็นเรื่องธรรมดามากขึ้นการหาเวลาที่เหมาะสมอาจกลายเป็นเรื่องท้าทาย หากไม่สามารถทำได้

เมื่อต้องเผชิญกับอนาคตที่ร้อนขึ้น นักวิจัยกำลังมองหาวิธีที่จะช่วยให้ละอองเกสรสามารถเอาชนะความร้อนได้ พวกเขากำลังค้นพบยีนที่สามารถนำไปสู่พันธุ์ที่ทนต่อความร้อนได้มากขึ้นและสายพันธุ์ที่สามารถอยู่รอดได้ในฤดูหนาวและออกดอกก่อนที่จะเกิดความร้อน พวกเขากำลังตรวจสอบขีดจำกัดที่แม่นยำของละอองเกสรและแม้กระทั่งการเก็บเกี่ยวละอองเกสรในปริมาณมากเพื่อฉีดพ่นลงบนพืชผลโดยตรงเมื่อสภาพอากาศดีขึ้น 

ที่เดิมพันเป็นจำนวนมากของอาหารของเรา Gloria Muday นักชีวเคมีจากมหาวิทยาลัย Wake Forest แห่งนอร์ธแคโรไลนาอธิบาย “พารามิเตอร์ที่สำคัญคืออุณหภูมิสูงสุดในระหว่างการทำซ้ำ” เธอกล่าว

การสร้างเมล็ดเริ่มต้นเมื่อละอองเรณูออกจากอับเรณูของอวัยวะสืบพันธ์ุเพศผู้ของพืช (เกสรตัวผู้) ตกลงบนรอยตีที่เหนียวของอวัยวะสืบพันธุ์เพศหญิง (เกสรตัวเมีย) และเริ่มที่จะเติบโตเป็นหลอด หลอดนี้เกิดจากเซลล์เดียวที่เติบโตผ่านมลทินและลงมาตามก้านที่เรียกว่าลักษณะจนกระทั่งถึงรังไข่ในที่สุด ซึ่งจะส่งสารพันธุกรรมของเมล็ดเกสรดอกไม้

การเจริญเติบโตของหลอดเรณูเป็นหนึ่งในตัวอย่างที่เร็วที่สุดของการเจริญเติบโตของเซลล์ในโลกของพืช มาร์ค เวสต์เกต ศาสตราจารย์กิตติคุณด้านพืชไร่ที่ Iowa State University กล่าว “มันเติบโตได้ถึงหนึ่งเซนติเมตร (0.4 นิ้ว) ต่อชั่วโมง ซึ่งเร็วมากอย่างเหลือเชื่อ” เขากล่าว

การเติบโตที่คลิปดังกล่าวต้องใช้พลังงาน แต่ที่อุณหภูมิเริ่มต้นประมาณ 90 องศาฟาเรนไฮต์ (32 องศาเซลเซียส) สำหรับพืชผลหลายชนิด โปรตีนที่กระตุ้นการเผาผลาญของเมล็ดเกสรดอกไม้จะเริ่มสลายตัว Westgate กล่าว

อันที่จริง ความร้อนไม่ได้ขัดขวางการเจริญเติบโตของหลอดเท่านั้น แต่  ในระยะอื่นๆ ของการพัฒนาละอองเกสรด้วย ผลลัพธ์: ละอองเรณูอาจไม่ก่อตัว หรืออาจแตก ล้มเหลวในการผลิตหลอด หรือผลิตหลอดที่ระเบิดได้ 

ไม่ใช่ทุกสายพันธุ์ที่ไวต่อความร้อนเท่ากัน อันที่จริง นักวิจัยยังคงใช้กลไกระดับโมเลกุลที่ช่วยให้ละอองเกสรจากพันธุ์พืชบางชนิดสามารถอยู่รอดได้ในขณะที่ละอองเกสรจากพันธุ์อื่นๆ ตายไป

ตัวอย่างเช่น การปฏิสนธิเป็นที่รู้จักกันดีว่าไวต่อความร้อนในมะเขือเทศหลายสายพันธุ์ ซึ่งเป็นพืชผลที่ในปี 2564 ครอบคลุม  พื้นที่โล่ง 274,000 เอเคอร์  (1,109 ตารางกิโลเมตร) ในสหรัฐอเมริกาเพียงประเทศเดียว หากอากาศร้อนเกินไป Randall Patterson ประธานสมาคมผู้ปลูกมะเขือเทศแห่งรัฐนอร์ทแคโรไลนากล่าว “ละอองเกสรจะเผาไหม้”

Patterson คูณการปลูกมะเขือเทศของเขาให้ออกดอกในช่วงกลางคืนที่ยาวที่สุดที่ต่ำกว่า 70F (21C) และวันที่ต่ำกว่า 90F (32C) โดยปกติ เขามีกรอบเวลาสามถึงห้าสัปดาห์ซึ่งสภาพอากาศจะเอื้ออำนวยต่อการเติบโตประจำปีของเขาทั้งสองฤดูกาล “ถ้ามันร้อนขึ้น และถ้าเรามีคืนมากกว่า 70 องศา นั่นจะปิดหน้าต่างของเรา” เขากล่าว

Muday ศึกษาละอองเกสรจากต้นมะเขือเทศที่กลายพันธุ์ซึ่งอาจมีเบาะแสในการเปิดหน้าต่างบานนั้นไว้ ในปีพ.ศ. 2561 ทีมงานของเธอรายงานว่าสารต้านอนุมูลอิสระที่เรียกว่าฟลาโวนอลมีบทบาทสำคัญในการยับยั้งโมเลกุลที่ประกอบด้วยออกซิเจนที่มีปฏิกิริยาสูง ซึ่งเรียกว่ารีแอกทีฟออกซิเจน (ROS) ซึ่งอาจเพิ่มระดับการทำลายล้างที่อุณหภูมิสูงได้

ความหวังก็คือผู้เพาะพันธุ์สามารถรวมยีนเหล่านี้เข้ากับมะเขือเทศใหม่ที่มีความยืดหยุ่นมากขึ้น

ตอนนี้ Muday เป็นส่วนหนึ่งของทีมจากมหาวิทยาลัยหลายแห่งที่มุ่งเป้าที่จะเปิดเผยกลไกระดับโมเลกุลและยีนพื้นฐานที่สามารถช่วยให้ละอองเกสรของมะเขือเทศทนต่อคลื่นความร้อนได้ ความหวังก็คือผู้เพาะพันธุ์สามารถรวมยีนเหล่านี้เข้ากับมะเขือเทศใหม่ที่มีความยืดหยุ่นมากขึ้น 

ข้อมูลเชิงลึกจากการศึกษาครั้งแรกของเธอได้ช่วย Muday พัฒนามะเขือเทศที่ผลิตฟลาโวนอลในระดับสูงโดยเฉพาะ “ดูเหมือนว่าพวกมันจะรับมือกับความเครียดจากอุณหภูมิสูงได้ดีเป็นพิเศษ” เธอกล่าว

ในท้ายที่สุด Muday คาดหวังว่าพวกเขาจะพบว่าเส้นทางจากความร้อนไปสู่ความตายของละอองเกสรนั้นเกี่ยวข้องกับผู้เล่นจำนวนมากที่นอกเหนือจากฟลาโวนอลและ ROS และอาจมีเป้าหมายมากมายสำหรับการแก้ไข 

ในขณะเดียวกัน ผู้เพาะพันธุ์  มะเขือเทศ  และพืชผลอื่นๆ กำลังทำงานเพื่อพัฒนาพันธุ์ที่สามารถทนต่อความร้อนได้ดีขึ้น “ถ้าเกษตรกรในแปซิฟิกตะวันตกเฉียงเหนือหรือในรัฐบนภูเขาหรือในที่ราบสูงกำลังจะปลูกถั่วและอากาศจะอุ่นขึ้น เราก็ต้องมีถั่วที่มีความทนทานต่อความร้อนมากขึ้น” ผู้เพาะพันธุ์พืชและพืชพันธุ์พัลส์กล่าว นักพันธุศาสตร์ Rebecca McGee จากแผนกบริการวิจัยการเกษตรของกระทรวงเกษตรสหรัฐฯ ในเมืองพูลแมน รัฐวอชิงตัน

พืชผลที่มีชื่อตามภาษาละติน  ว่า “puls”  ซึ่งหมายถึงซุปข้น ได้แก่ ถั่วแห้ง ถั่ว ถั่วเลนทิล และถั่วชิกพี พืชเหล่านี้ไม่ต้องการความชื้นมาก แต่ถ้าอุณหภูมิร้อนเกินไป ละอองเกสรก็จะถูกยกเลิก Todd Scholz รองประธานฝ่ายวิจัยของสภาถั่วแห้งและถั่วเลนทิลแห่งสหรัฐอเมริกากล่าว คลื่นความร้อนแบบเดียวกับที่ทำให้พืชผลของ Flansburg พังทลายในปีที่แล้วได้ทำลายพืชชีพจร การเก็บเกี่ยวถั่วเลนทิลและถั่วแห้งลดลงเหลือประมาณครึ่งหนึ่งของการผลิตโดยเฉลี่ย ในขณะที่ถั่วชิกพีลดลงมากกว่า 60%

McGee กำลังเพาะพันธุ์ถั่วและถั่วฝักยาวบางส่วนเพื่อให้ทนต่ออุณหภูมิสูงขึ้น แต่สำหรับโครงการอื่นๆ เธอใช้แนวทางที่แตกต่างออกไปและค่อนข้างขัดกับสัญชาตญาณ นั่นคือ การเพาะพันธุ์พืชผลที่สามารถทนต่อความหนาวเย็นได้

ในภาคเหนือของสหรัฐฯ ผู้ปลูกมักจะปลูกพืชชีพจรในฤดูใบไม้ผลิ McGee กำลังเพาะพันธุ์ถั่ว ถั่วเลนทิล และถั่วชิกพีที่หว่านแทนในฤดูใบไม้ร่วง แนวคิดก็คือว่าพันธุ์เหล่านี้จะสามารถอยู่รอดได้ในฤดูหนาวและจะเริ่มออกดอกในช่วงต้นฤดูร้อน ทำให้มีโอกาสต่อสู้ในการผสมเกสรได้สำเร็จก่อนเกิดคลื่นความร้อน

ปีที่แล้ว McGee ได้ปล่อยพันธุ์ถั่วคุณภาพอาหารสำหรับปลูกในฤดูใบไม้ร่วงจำนวนจำกัดให้แก่ผู้ผลิตเมล็ดพันธุ์จำนวนจำกัดสำหรับภูมิภาคของเธอ เธอบอกว่ามันออกดอกเร็วกว่าถั่วที่หว่านในฤดูใบไม้ผลิประมาณสองสัปดาห์ และให้ผลผลิตเป็นสองเท่า แน่นอน พืชผลเหล่านี้ไม่รับประกันว่าจะออกดอกก่อนเกิดความร้อนสูง McGee กล่าว “แต่คุณไม่ต้องกังวลมากเท่านี้”

ที่มหาวิทยาลัยแห่งรัฐมิชิแกน เจนน่า วอลเตอร์สกำลังศึกษาว่าอุณหภูมิส่งผลต่อละอองเกสรและแมลงผสมเกสรอย่างไรในพืชผล ในวันสุดสัปดาห์แห่งความทรงจำปี 2018 อุณหภูมิทางตะวันตกเฉียงใต้ของรัฐมิชิแกนยังคงอยู่ที่ 95F (35C) ในขณะที่ผึ้งบินหึ่งอยู่ระหว่างกลุ่มดอกไม้สีขาวละเอียดอ่อนบนพุ่มไม้บลูเบอร์รี่ มาเก็บเกี่ยว ผลไม้จำนวนมากมีขนาดเล็กกว่าปกติหรือล้มเหลวในการสร้างทั้งหมด ในรัฐที่มีบลูเบอร์รี่เฉลี่ยประมาณ 100 ล้านปอนด์ (45,359 ตัน) ต่อปี ผู้ปลูกเก็บเกี่ยวได้เพียง  66 ล้านปอนด์ (29,937 ตัน)

Walters – ผู้สมัครระดับปริญญาเอกที่ได้รับปริญญาสองปริญญาด้านกีฏวิทยาและนิเวศวิทยา วิวัฒนาการ และพฤติกรรม – กำลังตรวจสอบสิ่งที่ผิดพลาดอย่างแน่นอน เธอเริ่มต้นด้วยการระบุขีดจำกัดความร้อนของเมล็ดเกสรบลูเบอร์รี่ โดยทำให้ละอองเกสรในจานเพาะเชื้อได้รับอุณหภูมิที่หลากหลาย และเฝ้าติดตามละอองเกสรเป็นเวลา 24 ชั่วโมง ผลลัพธ์ของเธอซึ่งยังไม่ได้เผยแพร่ ชี้ให้เห็นว่าที่อุณหภูมิสูงกว่า 95F (35C) หลอดเรณูบลูเบอร์รี่ไม่สามารถเติบโตได้

วอลเทอร์สจำลองคลื่นความร้อนแบบเฉียบพลันด้วยการเปิดเผยละอองเรณูไปที่อุณหภูมิ 99.5F (37.5C) เป็นเวลาสี่ชั่วโมงแล้วลดอุณหภูมิลงเหลือ 77F (25C) อีก 20 ชั่วโมง “โดยพื้นฐานแล้วจะไม่มีการกลับมา” วอลเตอร์สกล่าว “[ความร้อน] การสัมผัสเพียงสี่ชั่วโมงก็เพียงพอแล้วที่จะนำไปสู่ความเสียหายถาวร”

ตอนนี้เธอกำลังยืนยันผลลัพธ์เหล่านี้ในพุ่มไม้บลูเบอร์รี่จริงในห้องเจริญเติบโตที่มีอุณหภูมิต่างกัน หากการค้นพบนี้ยังคงมีอยู่ เธอกล่าวว่า 95F (35C) สามารถกระตุ้นให้ผู้ปลูกเปลี่ยนระบบหมอกเป็นระยะๆ ไปที่ทุ่งเย็น แต่พวกเขาจะต้องพิจารณาการแลกเปลี่ยน

“เชื้อโรคจำนวนมากแพร่กระจายผ่านความชื้นหรือน้ำสูง โดยเฉพาะอย่างยิ่งในช่วงที่ดอกบาน” เธอกล่าว และเมื่อเปิดเครื่องพ่นหมอก แมลงผสมเกสรส่วนใหญ่ไม่น่าจะมาเยี่ยมเยียน

เป็นไปได้ว่าพุ่มไม้บลูเบอร์รี่ที่ร้อนจัดอาจทำให้ผสมเกสรบลูเบอร์รี่น้อยลงเมื่อเวลาผ่านไป Walters กล่าว เธอและเพื่อนร่วมงานกำลังเปรียบเทียบเนื้อหาทางโภชนาการของเกสรดอกไม้ที่รับความเครียดจากความร้อนและเกสรดอกไม้ที่ไม่ได้รับความเครียด โดยค้นหาความแตกต่างของโปรตีน คาร์โบไฮเดรต และปัจจัยอื่นๆ ที่อาจมีความสำคัญต่อสุขภาพของผึ้ง

[ความร้อน] การสัมผัสเพียงสี่ชั่วโมงก็เพียงพอแล้วที่จะนำไปสู่ความเสียหายถาวร – Jenna Walters

ในปีนี้ เธอจะเติมกรงที่มีผนังตาข่ายขนาด 6 คูณ 12 ฟุต (1.8 ม. x 3.7 ม.) แปดตัว โดยมีพุ่มบลูเบอร์รี่ในกระถางมากกว่าสองโหลแต่ละพุ่ม รวมทั้งผึ้งสวนสีฟ้าเพศเมียสองสามตัว ซึ่งเป็นหนึ่งในผึ้งหลายสายพันธุ์ ที่ผสมเกสรดอกไม้บลูเบอร์รี่ เป็นเวลาสี่ชั่วโมงต่อวัน ในช่วงสี่หรือห้าสัปดาห์ เธอจะนั่งอยู่ในกรงและดูผึ้งออกไข่และหาเกสรดอกไม้บนพุ่มไม้ ซึ่งในครึ่งกรงได้รับความเครียดจากความร้อนในช่วงต้นปี บานสะพรั่งของพวกเขา

ความกังวลของ Walters คือถ้าความร้อนทำลายละอองเกสร ความเครียดทางโภชนาการจะทำให้ตัวเมียสร้างไข่เพศผู้มากขึ้น ซึ่งต้องการเกสรน้อยลงในการผลิต แต่ผึ้งตัวผู้จากสวนบลูเบอร์รี่นั้นมีประโยชน์น้อยกว่าสำหรับผู้ปลูกบลูเบอร์รี่ เนื่องจากมีเพียงตัวเมียเท่านั้นที่ผสมเกสรและวางไข่เพื่อเริ่มต้นคนรุ่นต่อไป เพื่อชดเชยการสูญเสียเกสรดอกไม้ วอลเตอร์สกล่าว ผู้ปลูกอาจพิจารณาปลูกแถบดอกไม้ป่าที่ทนต่อความร้อนได้มากกว่า และสามารถให้สารอาหารเพิ่มเติมแก่แมลงผสมเกสร

นอกจากนี้ยังมีการแก้ไขทางเทคโนโลยีบางอย่าง Westgate เป็นหัวหน้าเจ้าหน้าที่วิทยาศาสตร์ของ  PowerPollenซึ่งเป็นบริษัท ag tech ในรัฐไอโอวาที่มุ่งเน้นการปรับปรุงการผสมเกสรสำหรับผู้ผลิตเมล็ดข้าวโพดลูกผสม ซึ่งเป็นพืชผลที่ละอองเกสรล้มเหลวที่อุณหภูมิสูงกว่า 104F (40C)

บริษัทใช้อุปกรณ์ดักจับพู่กันที่ติดอยู่กับรถแทรกเตอร์ เพื่อรวบรวมละอองเกสรสุกจำนวนมากในทุ่งนา แล้วเก็บละอองเรณูที่มีชีวิตเหล่านั้นไว้ในสภาพแวดล้อมที่มีการควบคุม PowerPollen กลับมาใช้ละอองเกสรดังกล่าวเมื่อสภาพอากาศเอื้ออำนวยต่อการปฏิสนธิ โดยปกติไม่เกินห้าวันหลังจากการรวบรวม หน้าต่างฟังดูเล็ก แต่อาจทำให้ชาวนาสามารถหลบเลี่ยงวันที่อากาศร้อนเป็นพิเศษได้ บริษัทกำลังทำงานเพื่อขยายกรอบเวลานี้และนำเทคโนโลยีของบริษัทไปใช้กับพืชผลอื่นๆ

สำหรับบางคน วิธีแก้ปัญหาที่ง่ายกว่าอาจเป็นการเปลี่ยนพืชผลโดยสิ้นเชิง Scholz จาก Dry Pea and Lentil Council กล่าวว่า “มีพัลส์ที่เติบโตในภูมิอากาศเขตร้อน ดังนั้นคุณอาจเลือกพันธุ์ที่แตกต่างกันได้ แต่ถั่วบางชนิดที่ทนต่อความร้อนได้ เช่น ถั่วฟาวาและถั่วตาดำ ต้องการความชื้นมากกว่าเกษตรกรในที่แห้งแล้งในแปซิฟิกตะวันตกเฉียงเหนือสามารถจัดหาได้

Flansburg ในวอชิงตันไม่ต้องการเปลี่ยน เขายังคงหวังว่าความพยายามในการผสมพันธุ์จะช่วยให้เขาปลูกต้นคาโนลาและพืชผลอื่นๆ ที่ครอบครัวของเขาปลูกมาหลายชั่วอายุคนต่อไป กระนั้น เขา​กังวล​เรื่อง​อนาคต. “มีภาพรวมของสภาพอากาศที่เปลี่ยนแปลงไปซึ่งเราจะต้องแก้ไขและรับมือหากเราจะสามารถเลี้ยงคนได้ต่อไป” เขากล่าว “มีข้อ จำกัด ว่าพืชสามารถรับความร้อนได้มากแค่ไหน”

หน้าแรก