Helsingin yliopisto , maatalous-metsätieteellinen tiedekunta

Transkriptio

1 Helsingin yliopisto , maatalous-metsätieteellinen tiedekunta Koe 6 Elintarvike- ja ympäristötieteet, elintarviketeknologia B-osan maksimipistemäärä on 30 pistettä 1. Mitä kuva 1 kertoo viljelykasvien satojen muutoksesta eri puolilla maailmaa sadan vuoden aikana? Amerikan Yhdysvalloissa tärkeimpien viljelykasvien, riisi, maissin, ja vehnän sadot, ovat kasvaneet viimeisen 50 vuoden aikana huomattavasti. Samoin on käynyt Skotlannissa ohran ja perunan sadoissa. Sen sijaan rapsin satotaso ei ole kasvanut tarkastelujakson aikana. Satotasojen muutoksissa on ollut huomattavaa vaihtelua eri maiden/alueiden välillä (USA, Skotlanti, Australia, Iso-Britannia ja Aasia). Vuosina havaittiin likimain lineaarinen kasvu, joissakin tapauksissa teknologiset innovaatiot ovat saaneet aikaan nopean portaittaisen kasvun, joissakin tapauksissa taas keskisato on pienentynyt. Australiassa vli sadan vuoden jaksossa vehnäsadossa havaittiin ensin sadon väheneminen ravinnevarojen ehtymisen vuoksi, kesannointi ja koneellistuminen tasoitti tilannetta, fosfori/laidunmaiden paraneminen, esikasvit ja typpi nostivat satoa. Huomattavaa on vuotuinen vaihtelu. Vuotuinen riisisato pysynyt lähes samana Aasiassa ja Isossa-Britanniassa liki kahdenkymmenen vuoden aikana (vuosina )(Kuva 1d). Aluekohtaiset erot, erot eri viljelykasvien välillä, syyt vaihtelevat 2. Miksi potentiaalisia satomääriä on vaikea saavuttaa? Puolet mahdollisesta maa-alasta jo viljelty; maailmanlaajuisesti uusien viljelykasvien tuotannon kasvusta uusien maa-alojen kautta kasvua 20%, suurempien satojen muodossa kasvua 67% ja viljelyintensiteetin kasvun kautta 12% Biopolttoaineet - henkeä kohden viljelykelpoinen maa-ala vähenee ja samalla keskisatojen olisi noustava neljänneksellä. Biopolttoaineiden tuotanto viljelykasveista kilpailee maankäytöstä ravintokasvien kanssa mutta tämän negatiivista vaikutusta kehitysmaiden maatalouteen pidetään epävarmana. Toisessa näkökulmassa tällä voi olla jopa positiivistakin vaikutusta ko. maiden maatalouteen.

2 Vedensaanti ja kastelu potentiaalisesta sadosta saavutetaan kasteluun perustuvalla viljelyllä 80% kun taas sateenvaraisella viljelyllä vain 50% eli epävarmuus kasvukauden säistä on keskeinen rajoite. Kastelulla on siten merkittävä vaikutus odotettavaan satoon. Syitä tappioon - mm tappiot sadonkorjuussa, varastoinnissa ja kuljetuksissa Muina tekijöinä on mainittu myös markkinavaikutukset, työvoiman saatavuus, maanpinnan kaltevuus sekä energian hinnan nousu ja huoli hiilidioksidipäästöistä. Näilläkin tekijöillä on havaittu olevan suurta paikallista vaihtelua. Tutkimus - maatalouksissa, jotka ovat teknisesti korkealla tasolla sadot eivät tulevaisuudessa enää väistämättä kasva. Yhtenä tekijänä pidetään sitä, että julkisella sektorilla sijoitetaan entistä vähemmän tutkimukseen. Vajaat/tehostettavat viljelykäytännöt osaaminen on edelleen puutteellista suuressa osassa Aasiaa ja Afrikkaa 3. Selitä taulukon 2 ja tekstin mukaan, miksi viljelymenetelmien energiatehokkuutta tulisi lisätä ja mitä ongelmia tähän liittyy. Vähähiilisten viljelymenetelmien kehittämisen tarve on havaittu taas, kun energian hinta on noussut ja huoli CO 2 -päästöistä on kasvanut. Taulukosta 2 on selkeästi nähtävissä, että tuotantopanokset (kjx10 3 ha -1 ) kasvavat siirryttäessä maanmuokkausmenetelmissä pelkästään ihmisvoiman käytöstä eläinten apuna käyttöön ja merkittävästi siirryttäessä koneistettuun maanmuokkaukseen. Toisaalta sadot kasvavat moninkertaisiksi maanmuokkauksen koneistuessa mutta tämä ei välttämättä paranna energiasuhdetta.. Kun tarkastellaan energiasuhdetta, tuoton suhdetta tuotantopanokseen, näyttää ihmisvoimin, kirveiden ja kuokkien avulla, tuotetun Meksikon maissin energiasuhde (10,7) huomattavasti paremmalta kuin koneistettujen riisin, soijapavun ja vehnän energiasuhteet (n.2-3). Ongelmallista on, että sadot, jotka saadaan ihmisvoimin muokattaessa eivät riitä nykyisen saati ennustetun maailman väestön ruokkimiseen. Typpilannoitteiden valmistamiseen kuluu paljon energiaa. Yksi tehokkaista tavoista parantaa viljelyn energiatehokkuutta on palkokasvien käyttö viljelykierrossa, vaikka se saattaa vähentää energian tuottoa (= satoa). 2p.

3

4 4. Miten kasvit reagoivat maaperän niukkaan fosforipitoisuuteen? Kasvit säätelevät fosforihomeostaasia ja fosforin saantia maaperästä etenkin geneettisellä tasolla. Kasveilla on kaksi päästrategiaa maaperän fosforin puutteesta/niukkuudesta selviämiseen. Kasvit sopeutuvat fysiologisesti saatavan P i :n määrään ja säästävät varastojaan joko tuottamalla tehokkaammin biomassaa (korvaavat fosfolipidit) tai vähentämällä versojen kasvua. (2) Aktiivisin mekanismein vaikutetaan maassa tapahtuviin reaktioihin. Kasvi saattaa kasvattaa suuremmat juuret, enemmän lateraalisia juuria ja pitkiä hiusjuuria, jotta niukkoja resursseja voidaan hyödyntää suuremmasta maatilavuudesta sekä muuttaa ritsosfääriympäristöä juurten paremman P i: n saannin lisäämiseksi. Korkeaaffiniteettisia fosforin kuljettajia on enemmän ja orgaanisia happoja ja fosfataaseja syntetisoidaan ja eritetään, mikä lisää P i :n saantimahdollisuuksia. Kuvan 2 tarkempi selvitys 5. Miten kasvien kykyä hyödyntää maaperän fosforivarantoja voidaan tehostaa geeniteknologisin keinoin? Siirtogeeniset mutantit voivat lisätä fosforin saantia maasta muuttamalla ritsosfäärin ominaisuuksia tai lisäämällä juuriston laajuutta. Ne voivat myös tehostaa fosforin käyttöä kasvissa. 1) Juurten fosforinottoa voidaan tehostaa kehittämällä siirtogeenisiä kasveja, a) jotka erittävät mikrobiaalisia fytaaseja ritsosfääriin. Tämä on tehostanut fosforinottoa, kun inositoliheksafosfaatti on ollut kasvien tärkein fosforin lähde. b) joissa bakteerisitraattisyntaasigeenin ilmentyminen lisää sitraatin virtausta juurista maaperään. Tämä lisää Ca-P:n käyttökelpoisuutta kasveille. c) joissa hyödynnetään vehnän malaatin kuljetusgeenin ilmentymistä. Tämä on lisännyt ohran fosforinottoa erittäin happamassa maassa.

5 Useissa tapauksissa nämä mekanismit eivät kuitenkaan ole lisänneet siirtogeenisten kasvien fosforinottoa tai kasvua. (2 p) 2) Juurten fosforinsaantia niukkafosforisessa maaperässä voidaan myös lisätä kehittämällä genotyyppejä, joilla on pitkiä hiusjuuria ja suuri juuristo. Esimerkiksi lituruohon AtSIZ1-geenin vaimentaminen aiheutti tällaisia muutoksia juuriston morfologiassa, vaikka solunsisäiset fosforipitoisuudet olivat tavanomaiset. 3) Siirtogeeniset mutaatiot voivat myös tehostaa fosforin fysiologista käyttöä kasvin sisällä. Esimerkiksi riisistä saatava bhlh-transkriptiotekijä parantaa kasvien fosforinpuutteen sietokykyä. Viljelykasvien geneettinen ja geeniteknologinen kehitys ei korvaa kokonaan fosforilannoitteiden käyttöä, vaan edellyttää nykyisten fosforivarantojen tehokkaampaa käyttöä ja vaihtoehtoisten fosforilähteiden etsimistä. +