10 Botaniska observationer som kan förändra världen

När det gäller stora vetenskapsnyheter, verkar botanikområdet - biologiska grenen som behandlar växtlivet - alltid se ut som det blygna barnet som blir utelämnat. Människor verkar ha en bild av botaniker som inkluderar adorably äldre förhärliga trädgårdsmästare som knäböjer i jorden med små spader när de planterar blommor.

Men botanik är faktiskt i framkant av vetenskapen. Fältet hjälper till att informera och forma de mer sexiga fälten som får alla kameror och uppmärksamhet som genetik, bioteknik, paleontologi och klimatstudier. Det finns dock många botaniska observationer som lovar att förändra världen idag.

10Fungi kan öka avkastningsavkastningen

Under 2014 lärde forskarna hur de symbiotiska förhållandena används som växter smälter för att öka avkastningen samtidigt som man använder mindre gödselmedel.

Forskare har länge känt att de flesta växter använder välgörande svampar i jorden runt dem för att producera mycorrhizae (svamprotor). Dessa svampar har långvariga trådar som kallas hyphae-som kan nå näringsämnen som växtens egna rötter inte kan. Detta förhållande hjälper växter att samla dessa näringsämnen mer effektivt.

Nu har ett forskargrupp, som leds av Dr. Michael Schultze vid Biologiska institutionen i York i England, upptäckt ett protein (kallat en "protonpump") som fungerar som gränssnitt mellan svamparna och växtrotscellerna. Detta gör det möjligt för näringsämnen att överföras till växten. Denna observation publicerades i tidningen Växtcellen som produceras av American Society of Plant Biologists.

Dr Schultze har uppgett att den mycorrhizae-specifika protonpumpen skulle vara ett sätt för växtuppfödare att öka avkastningen, samtidigt som man minimerar användningen av gödselmedel, genom att utnyttja den naturliga ökningen av näringsvinster. Mineralgödsel är en ökänd källa till miljöproblem. De kan leda till jorderosion och förorening av grundvatten med nitrater och fosfater. Höga halter av nitrater är farliga för människors hälsa. Fosfatföroreningar leder till alger överväxt som alger dö och syrgas ut ur vattnet när det sönderdelas - en process som kallas eutrofiering.

9Viktiga fördelar med Corn-Beyond Pest Resistance

Bt majs (behandlad med bakterierna Bacillus thuringiensis) är den välkända genetiskt modifierade majssorten som är uppfödd för att vara resistent mot majsrotormar. Dessa Midwestern amerikanska skadedjur förstör grödor i både larven och vuxenbagelformen. Kornrotormar kostar odlare uppåt på 1 miljard dollar per år.

Bt majs skyddar sig genom att producera en bekämpningsmedel som kallas BT (vilket är ett bakteriellt toxin) inom sig. Detta minskar behovet att majsen sprutas med bekämpningsmedel. Förutom de uppenbara fördelarna har forskare funnit att Bt majs ofta överstiger förväntningarna och ger större avkastning än förväntat.

Under 2012 publicerade Fred Below och Jason Haegele från University of Illinois i Urbana-Champaign en studie som visade att Bt-majs ökar avkastningen genom att öka kväveintaget samtidigt som den ökar kväveanvändningseffektiviteten. Genom att inte behöva investera i kostsamma strategier för att skydda mot skadedjur, befinner sig plantorna fritt att utveckla mer hälsosamma och aktiva rotsystem som leder till ökad produktion överallt.

Bt majs lovar också att gynna forskare som forskar rotsystem. Stora populationer av växter som växer nära varandra - som grödor - kan producera stora nätverk av rotsystem om dessa rötter skyddas mot skadedjur. Detta ger forskare en större reservoar av resurser att arbeta med när man försöker förstå hur rotsystem fungerar. Detta kan i sin tur leda till nya fruktbara vägar av forskning och utveckling.

8Robots inspirerade av växter

Forskare från ett EU-finansierat projekt på Istituto Italiano di Tecnologia arbetar med en serie avancerade robotprojekt inspirerade av det som verkar vara en osannolik källa: plantelivet.

Barbara Mazzolai är samordnare för FP7-PLANTOID-projektet, som syftar till att designa och prototypa hårdvaru- och mjukvarulösningar inom robotteknik som inspireras av växter. Detta inkluderar hur de rör sig, känner världen och till och med hur deras rötter växer. Medan många ser växter som passiva organismer som gör så gott som ingenting, växer växter faktiskt. Många gånger är denna rörelse på "extremt effektiva sätt".

Gruppen har utvecklat en generell prototyp som syftar till att utnyttja de sätt som växter samverkar med världen. Den har en 3-D-tryckt bagage och lämnar det som känner till saker som temperatur, gravitation och fuktighet. Det har också ett rotsystem som växer och ändrar riktning efter behov. Det här är första gången forskarna har tittat på växter för att lösa robotarbaserade problem.

Mazzolai och hennes team hoppas så småningom att använda detta arbete på så olika områden som jordbruk, medicin och rymdutforskning. De ser framtida robotar som kan släppas på en främmande värld där de skulle implantera sig och använda sensorisk information för att anpassa sig till hårda miljöer. En annan möjlighet är att skapa flexibla endoskopiska kirurgiska robotar som kan resa genom människokroppen.

PLANTOID-projektet stöds med 1,6 miljoner euro i finansiering från EU och förväntas vara färdigt 2015. Laget jobbar för närvarande med en mer avancerad prototyp med fler förmågor. De hoppas utveckla en modell som använder sin externa miljö för att dra energi och smartare robotar som kan lära sig av miljöanpassningar och fatta beslut utifrån dem. Du kan följa projektets framsteg och lära dig mer här.

7Desert gårdsteknik

Ny forskning om ökenodlingsteknik har lett till nya observationer om hur växter skapar relationer med bakterier för att främja tillväxten. Detta har viktiga potentiella tillämpningar.

I en 2012 studie publicerad i PLOS ONE, forskare använde en torka-känslig peppar växten (Capsicum annuum L.) och fokuserade på de organismer som växte omkring sig under torka förhållanden. De gjorde detta genom att dissekera rotsystem och provtagning både odlade och odlade jordar.

De fann att de bakterier som omger plantorna berikades när de utsattes för torka och sålde växterna så mycket som en 40 procent ökning av fotosyntes och biomassaproduktion.

Ju mer växtbiologer studerar vägarna som växter interagerar med de organismer som växer runt dem, desto mer är det meningsfullt att prata om växter som en "meta-organism" där mikrobiomen omkring den är lika mycket en del av det hela som växten själv. I en värld där klimatförändringar och växande mänskliga befolkningar kommer att lägga stor stress på tillgången på vatten och den mängd mark som är användbar för jordbruket, kommer denna forskning att hjälpa oss genom att behålla höga avkastningsutbyten med minimal bevattning.

6Seaweed Farming

Eftersom alger blommar nära stränder och stör ekosystemen har alger varit en växande miljöhänsyn under ganska lång tid. Det betraktas av många som en plåga och ett problem som vi måste utrota.

Men en grupp forskare håller inte med. De sa: "I vår forskning vänder vi argumentet på huvudet och ser alger som en resurs. Vi samlar överskott av alger längs kusterna och odlar nya alger ute till sjöss. "Varför skulle de göra det här?

Fredrik Grøndahl, chef för Seafarmprojektet vid KTHs kungliga tekniska institut, hoppas kunna använda alger som en billig och riklig källa till mat, medicin, plast och biobränsle. Människor använder nästan 40 procent av produktionen från landbaserade ekosystem men endast cirka 1 procent av vad havet kan producera.

Den överdrivna befruktningen av våra oceaner på grund av mänsklig aktivitet, kallad övergödning, hamnar i att skapa för mycket alger, och för att göra det värre, är det som vi producerar från havet mestadels exploktivt. Några fiskemetoder, inklusive trawling, härska oceanerna. Trawling dödar tusentals levande saker som aldrig används för att få den fisk som trålare vill ha. Att utnyttja potentialen hos alger kan förändra allt detta. Dess användbarhet är otroligt och nästan helt förbisedd i de flesta västerländska kulturer.

Alger innehåller vitaminer, aminosyror och mineraler. Det kan ätas vanligt eller användas för att producera kryddor och oljor. Det kan också ersätta mer miljöskadliga former av djurfoder. Brown alger kan producera tre gånger mängden socker som finns i sockerbetor.

Grøndahls Seafarmprojekt odlar alger på fat och skördar dem sedan på land, där de vidare bearbetas genom biorefineringsprocesser. Hans gård och andra projekt som den har enorm potential att förändra världen.

Andra nationer har använt alger under en längre tid. Många delar av Asien, särskilt Japan, har använt det i århundraden. Irland, en nation med en lång tradition för att använda tang, har sedan 2010 utvecklat stora algodlingsprojekt. Under 2011 började Norge liknande projekt. Så, kanske de gårdar som planeras av science fiction författare och futurister äntligen på väg.

5Ny svampobservationer kan leda till förbättrade svampbekämpningsmedel

En ny studie från forskare vid University of Exeter i England, publicerad i oktober 2014 utgåva av Naturkommunikation, visar mekanismen där de flesta patogena svampar undviker immunsystemet hos de växter som de attackerar. Detta resultat lovar att leda till en helt ny generation av fungicider.

Biosciences Professor Gero Steinberg från UOE har påpekat att patogena svampar har stor potential att störa världens livsmedelssäkerhet och kostar redan miljarder dollar i skador. Han sa, "Faktum är att förluster av vete, ris och majs till svamppatogener, årligen, är samma som årstiden tillbringade av (US) Department of Homeland Security - cirka 60 miljarder dollar."

Det visar sig att de flesta patogena svampar injicerar en växt med effektorproteiner som gör det möjligt att kringgå automatiska immunsvar och komma in i växtceller. Svamparna använder signalerande organeller, som kallas tidiga endosomer, som rör sig mellan svampcellens kärna och invasionen. De fungerar som budbärare och levererar proteinerna som gör det möjligt för svampen att säkert komma in i växten.

Genom att lära sig att avaktivera denna process bör forskarna kunna leverera nya fungicider som behandlar sjukdomen innan svampen någonsin får chansen att göra sitt smutsiga arbete. Nuvarande fungicider är ofta snabbt ineffektiva av patogena svampar, eftersom deras snabba tillväxthastigheter hjälper dem att snabbt anpassa sig till anti-svampbehandlingar.

4Human Gut Microbes kan ge växtbiobränslen

För att kunna använda växter som biobränslen behöver forskare ett sätt att effektivt bryta ner en växtcellsväggar. Traditionellt gör de detta genom att använda vissa mikrober som har den användbara egenskapen att göra just det. Sannolika kandidater inkluderar mikrober som existerar i ko rumen och termitmassor.

Men i en 2014 studie i Förhandlingar av National Academy of SciencesProfessor Isaac Cann vid University of Illinois och hans forskargrupp tror att de har hittat en bättre kandidat-i människans tarm på alla ställen.

Studien bekräftar en tidigare hypotes om att tarmmikrober hos människor har förmåga att smälta fibrer och förvandla dem till sockerarter som i sin tur ger jäsningsmedelsämnen som mänskliga celler använder. Dessa samma sockerarter kan matas till jäst för att alstra etanol och andra flytande bränslen. Två av mikroberna som finns i människor-Bacteroides intestinalis och Bacteroides ovatus- verkar vara effektivare när man bryter ner komplexa växtfibrer än de som finns i kor.

Förutom att ha viktiga konsekvenser för människors hälsa kan denna upptäckt gynna biobränsleindustrin, vilket i sin tur kan ge oss alla möjlighet att skörda stora miljöfördelar.

3Trees som kan öka bioproduktionen

Forskare från Centrum för växtbioteknik och genomik har utvecklat en ny form av bioteknik: En teknik för att öka biomassaproduktionen av en skogsplantage utan att ändra trädets tillväxt, komposition eller anatomi. Detta ökar inte bara den totala produktionen av träd utan att öka trädens efterfrågan på mat, det gör det på sätt som kan mildra effekterna av global uppvärmning och förbättra energisäkerheten genom att möjliggöra en mycket större träproduktion i samma mängd utrymme.

De gjorde det genom en teknik som modifierar uttrycket av vissa gener som ansvarar för en process som kallas "syleptisk förgrening" i träd, vilket ökar antalet grenar, storleken på bladområdet och den totala tillväxten. Forskarna hävdar att deras teknik potentiellt kan fungera på någon skogsartad växtart.

På grund av sina potentiella tillämpningar på bioenergisektorn och energimarknaderna har processen patenterats.

2Sound Vibrations kan snart öka skördar

I Europa har många länder omfattande bekämpningsmedelförbud på plats. Detta sätter press på forskare för att hitta alternativa metoder för att bekämpa skadedjur. Kan det vara möjligt att en dag ersätta många av världens bekämpningsmedel med ett ljud- och luktbaserat insektsystem? Forskare i Italien tror det.

Ilaria Pertot och ett team av EU-forskare som arbetar med PURE-projektet har experimenterat med ljudvibrationer och feromoner för att störa parningens beteende hos den europeiska druvmjölk och cicaden Scaphoideus titanus-Two vanliga druv skadedjur.

Med druvor ensam som står för 38 procent av bekämpningsmedelsanvändningen i hela Europa är det lätt att se hur den här forskningen skulle kunna få enorma miljöfördelar, även om det visar sig att det inte har stor tillämplighet.

Forskarna hävdar att de metoder som de utvecklar hittills är så effektiva, om inte så mycket, än användningen av kemiska bekämpningsmedel och kan ersätta dem helt och hållet.

1Kinesisk växtmangfold som är avgörande för global livsmedelssäkerhet

Väst har haft några anledningar att avundas Kina under de senaste decennierna och det kan väl ha en annan. Ett botaniskt team från University of Birmingham i England, tillsammans med partner från Kina, hävdar att den stora mängden växtmangling i Kina kan vara avgörande för global livsmedelssäkerhet i framtiden.

Kinas flora omfattar över 20.000 högre växtarter. Forskarna identifierade 871 av dessa inhemska arter som är kända som grödor vilda släktingar (CWR). De kallas detta på grund av deras genetiska potential att anpassa och hjälpa till att upprätthålla 28 viktiga globala grödor (som ris, vete, sojabönor och många andra). Vissa används för att hjälpa grödor växter förbättra motståndskraft mot kyla eller ge resistens mot toxiner. Andra har förbättrat torkmotståndet eller förbättrade näringsmässiga egenskaper, såsom proteininnehåll. Två och fyrtio procent av dem förekommer ingen annanstans i världen.

Det är dock inte alla goda nyheter. Forskarna fann också att minst 17 procent av dessa enormt värdefulla arter är utrotningshotade och kräver omedelbar uppmärksamhet. Under tiden har man, med en databas av alla färdiga arter, arbetat för att bevara arten i genbanker för att behålla sina värdefulla drag.

Världen börjar bara inse vikten av CWR och andra vilda växter i kampen för att mildra effekterna av den globala uppvärmningen och säkerställa jordbruksekonomisk stabilitet. Forskare Shelagh Kell sa att politiken är oerhört komplex och att "akut uppmärksamhet måste betalas till Kinas CWR för att säkerställa att de är tillräckligt bevarade, så att denna mångfald är tillgänglig för användning i program för förbättring av grödor innan det förloras för alltid. ”