Med avanceret teknologi, der efterligner fremtidens klima, undersøger forskere på DTU og KU, hvordan planter reagerer på cocktailen af forhøjet temperatur, CO2, ozon og ekstreme hedebølger.
Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 4, 2015 og kan læses uden illustrationer, strukturer og ligninger herunder.
Af Rikke Bagger Jørgensena, Teis Nørgaard Mikkelsena, Helge Egsgaarda, Michael Foged Lyngkjærb og Cathrine Heinz Ingvordsena,c
a DTU, Institut for Kemiteknik
b KU, Science, PLEN
c CSIRO, Canberra, Australien
Vi har i øjeblikket kurs mod en global temperaturstigning på ca. 5°C, og det vil væsentligt forringe både omfang og kvalitet af vores planteproduktion, også selvom en forøget CO2-koncentration i atmosfæren kommer planterne til gode. En ekstra udfordring for planterne er de ekstreme klimahændelser, f.eks. hedebølger, som bliver mere almindelige i fremtiden. Resultaterne fra klimaforsøg bruges i forædling af nye klimatolerante sorter og til modellering af, hvordan fremtidens planteproduktion påvirkes.
Udfordringer forude
I 2014 nåede CO2-koncentrationen i atmosfæren over 400 ppm tre måneder i træk; 2014 blev også det år, som globalt satte varmerekord. Det er efterhånden svært at ignorere, at vores klima forandrer sig i et uhyggeligt hurtigt tempo. Som følge af de stigende niveauer af drivhusgasser og stigende temperaturer forventes ekstreme vejrsituationer som kraftig regn og hedebølger at blive både hyppigere og mere intensive. I 2003 og 2006 oplevede Europa ekstreme hedebølger. I 2003 var temperaturerne i store dele af Europa på 20-30% over normalen, og temperaturer på 35-40°C blev målt i flere lande. Hedebølgen betød bl.a., at den franske hvedeproduktion faldt med 21%, da temperaturen var 6˚C over normalen og nedbørsmængden ca. halveret i forhold til gennemsnittet. I 2010 var det Ruslands tur; her blev registeret de højeste gennemsnitstemperaturer i 140 år, og ca. 20% af kornmarkerne gav intet udbytte. Det ændrede klima bliver en af de store udfordringer for fremtidens planteproduktion, og det truer den stabile forsyning af fødevarer, foder og vegetabilske non-food produkter.
Avancerede faciliteter til efterligning af fremtidens klima
På en mark uden for Roskilde står en række store ringe af stålrør med et net af slanger, der er forbundet til en kæmpe tank med CO2. Det er en såkaldt FACE-facilitet – en teknisk avanceret konstruktion til ”Free Air Carbon Enrichment”. Her kan planter udsættes for fremtidens atmosfære. De gamle og nye bygsorter, der vokser inde i ringene, har 550 ppm CO2 mod de ca. 400 ppm i resten af marken. De 550 ppm svarer til den CO2-koncentration, som vi når omkring år 2040-2050, hvis vi ikke reducerer vores udledninger af drivhusgas både hurtigt og kraftigt. Men den ekstra CO2 alene er ikke noget problem for planterne; byggen vokser tydeligt kraftigere under forhøjet CO2 end i kontrolringene med 400 ppm, fordi den ekstra CO2 udnyttes i fotosyntesen og omsættes til mere plantebiomasse.
FACE-forsøgene viser, hvilke bygsorter, der er bedst til at udnytte den ekstra CO2, og de sorter kan anvendes som udgangspunkt i forædling mod højere biomasse i det fremtidige klima. Resultaterne viser, at også nogle af de gamle og glemte sorter har evner til CO2-udnyttelse, der er værd at satse på.
Fremtidens svampesygdomme
I FACE-faciliteten bliver byggens blade også nøje undersøgt. Der scores for forekomst af svampesygdomme under 550 ppm CO2 og i kontroller ved de nuværende 400 ppm. Der er nemlig forskel på planternes modtagelighed overfor plantesygdomme under forhøjet og ambient CO2. F.eks. vil angreb af meldugsvampen reduceres, hvis kun CO2-koncentrationen stiger, mens melduginfektion bliver mere almindelig, hvis også temperatur og O3-koncentration samtidig øges. Med klimaforandringer kommer også helt nye sygdomme som f.eks. Ramularia til. Informationerne er vigtige, for når vi kender sygdomsmønstret hos afgrøder i et ændret klima, kan vi handle proaktivt i forhold til at iværksætte bekæmpelse; det kan være såvel kemisk som genetisk kontrol (nye resistensgener).
Faldende udbytter og forringet kvalitet
Nu vil klimaændringerne ikke kun omfatte en stigning af CO2-koncentrationen; der vil ske en samtidig forøgelse af temperaturen, og den menneskeskabte udledning af stoffer, der danner ozon (O3) i troposfæren er også på vej op. IPCC (2013) har i deres sidste rapport påpeget, at vi med den nuværende udledningsprofil for drivhusgasser kan være på vej mod ca. 5°C opvarmning i sidste del af dette århundrede (RCP8.5). CO2-koncentrationen vil nå over de 1.000 ppm, og den troposfæriske O3 øges med ca. 25% fra niveauet i dag (32-62 ppb). O3 er en meget reaktiv gas, der forårsager oxidativ stress og dermed nedvisning hos planterne. I FACE-faciliteten på DTU kunne temperaturen godt forøges, men en 5°C stigning i det fri kræver store ressourcer. Derfor foregår en del af de forsøg, der kræver høj temperatur og samtidig eksponering af planterne til et højt niveau af CO2 og O3, ofte i et særligt klima-drivhus, en phytotron. I de seks store vækstkamre på hver 24 m2, som DTU phytotronen rummer, kan næsten enhver form for klima efterlignes. Udover temperatur og atmosfærens sammensætning af luftarter, kan lys, luftfugtighed, luftskifte, vind og vanding kontrolleres, og moniteres løbende. Desuden kan man efterligne f.eks. ekstreme hedebølger. Mange forskellige afgrøders og vilde arters respons overfor klimaændringer er analyseret under forsøg i phytotronen.
Verdens største forsøg af sin art, hvor 138 typer af byg er udsat for forhøjet temperatur, CO2 og O3, er lige afsluttet. De 138 byg-typer omfattede landracer, gamle og nye sorter og endnu ikke markedsførte linjer. Deres udbytte og kvalitet blev undersøgt under 700 ppm CO2, 120 ppb O3 og temperaturer på 5°C over normalen for Danmark i sommerperioden. Hvis CO2 og temperatur forøges samtidig, tilsidesætter temperaturstigningen den gavnlige effekt af ekstra CO2, og udbyttet i byg reduceres med i gennemsnit 29%, og det høstede kerneprotein falder med 22%. Hvis forøgelsen i CO2-koncentration og gennemsnitstemperatur suppleres med en 10 dages hedebølge på 33°C (28°C nat) lige omkring blomstringstidspunktet, formindskes kerneudbyttet til under det halve af, hvad vi høster i dag (52% reduktion). Afgrøder tilpasset fremtiden, skal gerne have højt udbytte, men også en god miljømæssig stabilitet for at hamle op med flere variationer i miljøet over samme vækstsæson. Eksempelvis kan voldsomme regnmængder efterfølges af perioder med ekstrem tørke. Derfor blev den miljømæssige stabilitet i de 138 byg-typer også undersøgt i DTU-KU forsøget, og typer med god stabilitet identificeret til brug i videre forædling.
Et større forsøg med raps (Brassica napus) er også udført i DTUs phytotron. Her er der blandt andet fokuseret på ændringer i mængde og kvalitet af rapsolien. Også her vil de nuværende sorter komme til kort over for de forventede ændringer i klimaet. Når en CO2-koncentration på 700 ppm blev kombineret med en temperaturstigning på 5°C, faldt udbyttet af rapsolie med 58% pr. hektar i forhold til i dag. Samtidig reducerede denne klimaændring den essentielle fedtsyre omega-3 (C18:3) med 77% pr. hektar rapsmark. Fire andre fedtsyrer i rapsolien blev ligeledes påvirket negativt, og andelen af mættede fedtsyrer blev øget på bekostning af de sundere umættede fedtsyrer.
En gen-vej til klima-tolerante afgrøder
Heldigvis er der stor variation i klimarespons hos forskellige sorter inden for samme art. Næste alle de typer byg, der blev undersøgt i DTU-KU-forsøget var presset på udbytte og kvalitet ved en temperaturforøgelse på 5°C, men nogle få viste kun mindre reduktioner. De bedste typer repræsenterer gener, der kan være med til at sikre en stabil produktion og kvalitet i fremtiden. Forskellene mellem de forskellige typer af byg er udforsket yderligere i et ph.d.-projekt sammen med bygforædlingsfirmaer fra Norge, Sverige, Finland og Danmark og støttet af Nordisk Ministerråd. I projektet er gener, der styrer kerneudbytte, vegetativ biomasse, miljømæssig stabilitet og sygdomme i det fremtidige klima associeret med DNA-markører. I praksis blev 8.000 SNP (Single Nucleotide Polymorphisms)-markører analyseret for deres association til bygtypernes produktion under forhøjet CO2, forhøjet temperatur, forhøjet O3, kombinationen af klimafaktorer og miljømæssig stabilitet under ændrede klimaforhold. Der blev fundet 60 signifikante associationer mellem DNA-markører og produktion i fremtidens klima. Disse markører er givet videre til de nordiske bygforædlere, der kan udnytte dem i ”markør-baseret selektion” af planter, der vil kunne klare fremtidens ændrede, komplekse og ustabile klima. Klimatolerante sorter er en af de bedste muligheder vi har for at sikre en høj og stabil produktion af fødevarer, foder og non-food baseret på planteprodukter.
Litteratur
DMI Arkiv: http://www.dmi.dk/nyheder/arkiv/.
Ingvordsen C.H., Backes G., Lyngkjær M.F., Peltonen-Sainio P. , Jahoor A., Mikkelsen T.N., Jørgensen R.B. (2015). Genome-wide association study of production and stability traits in barley cultivated under future climate scenarios. Molecular Breeding 35: 84-97 . DOI: http://dx.doi.org/10.1007/s11032-015-0283-8.
Ingvordsen C.H., Backes G., Lyngkjær M.F., Peltonen-Sainio P. , Jensen J.D., Jalli M., Jahoor A., Rasmussen M., Mikkelsen T.N., Stockmarr A., Jørgensen R.B. (2015). Significant decrease in yield under future climate conditions: Stability and production of 138 spring barley accessions. European Journal of Agronomy, 63: 105–113, DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.eja.2014.12.003.
Ingvordsen C.H. (2014). Climate Change Effects on Plant Ecosystems – Genetic Resources for Future Barley Breeding. Ph.D. Thesis, Technical University of Denmark, 182 pages.
IPCC, 2013: Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Stocker, T.F., D. Qin, G.-K. Plattner, M. Tignor, S.K. Allen, J. Boschung, A. Nauels, Y. Xia, V. Bex and P.M. Midgley (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA, 1535 pp.
Mikkelsen B.L., Jørgensen R.B. , Lyngkjær M.F. (2014). Complex interplay of future climate levels of CO2, ozone and temperature on susceptibility to fungal diseases in barley. Plant Pathology, online first 12 AUG 2014. DOI: http://dx.doi.org/10.1111/ppa.12272.
