How Rice Twice Became a Crop and Twice Became a Weed -- And What It Means for the Future

July 17, 2013 — The evolutionary biologist Stephen Jay Gould once asked whether the living world would be different "if the tape were played twice." If there were a duplicate Earth evolving quietly beside ours, would we observe the emergence of creatures like ourselves and of plants and animals familiar to us, or would the cast of characters be entirely different?

It's an intriguing question.

So far replicate Earths are in short supply, but cases of parallel evolution (the same trait evolving independently in related lineages) allow scientists to ask some of the same questions.

One beautiful case of parallel evolution is the double domestication of rice in Africa as well as Asia, which was followed by its double "de-domestication," or reversion to a wild form, all within the roughly 10,000 years since hunter-gatherers became settled farmers.

With the help of modern genetic technology and the resources of the International Rice GeneBank, which contains more than 112,000 different types of rice, evolutionary biologist Kenneth Olsen, PhD, associate professor of biology in Arts & Sciences at Washington University in St. Louis, has been able to look back in time and ask whether the same mutations underlay the emergence of the same traits in both cultivated and weedy rice.

His latest findings, which take a close look at the genetics of hull color, appear in the July 17, 2013, online issue of the Journal of Evolutionary Biology.

The answers are interesting in their own right but also have practical importance because modern agriculture is radically changing the selection pressures acting on rice, the most important food crop for most of the world's populations. In response to these pressures, weedy forms that evolved from the crop forms are taking on traits more like those of wild ancestors. "They're very aggressive competitors," Olsen says, "and they've become a huge problem both here in the U.S. and all over the world."

"In some parts of the world farmers have given up trying to grow rice and just market the weedy stuff that's infested the fields as a health food," he says. You sometimes see red rice from the Camargue, the delta region in southern France, in stores, he says. "Red rice is full of antioxidants, which tend also to be plant defense chemicals," Olsen says, "but it is basically a weed."

Double domestication

Worldwide, most of the cultivated rice is Asian rice, Oryza sativa which was bred from its wild progenitor Oryza rufipogon in southern Asia within the past 10,000 years.

Whether the familiar indica and japonica subspecies of Asian rice also represent independent domestications is controversial. Most of the rice grown in the U.S. is japonica rice, Olsen says, which is genetically pretty different from indica rice, the rice grown in a lot of the tropics.

In any event there was a second unambiguous domestication event about 3,500 years ago when African cultivated rice (O. glaberrima) was bred from the African wild species O. barthii in the Niger River delta.

Scientists are now in a position to examine the genetic basis of both the Asian and African domestications, Olsen says. In a way it's like being able to go back to check DNA fingerprints at the scene of a crime committed well before DNA testing first became available.

When a plant is domesticated, it acquires a suite of traits called the domestication syndrome that made it easier to grow as a crop. In rice, the syndrome includes loss of shattering (the seeds don't break off the central grain stalk before harvest), increase in seed size, and loss of dormancy (the seeds all germinate at once and can be harvested at once).

Do the same genetic mutations underlie the emergence of these traits in both the Asian and African domestication events, or did domestication result from different mutations in the same genes, or even from mutations in different genes?

In a series of articles in the Journal of Evolutionary Biology and other journals, Olsen, postdoctoral researcher Cindy Vigueira, and their colleagues have shown that different mutations of the same genes underlie the loss of shattering, and the straw-colored hulls and white grains of both Asian and African cultivated rice.

So both Asian and African cultivated rice "broke" at roughly the same places under selection pressure from early farmers.

Double de-domestication

Like domestication, de-domestication, or evolution from the crop species of unpalatable weedy species that have many wild-like traits, also seems to have happened twice. One weedy strain resembles an Asian rice variety grown only in a small part of the Indian subcontient and the other strain resembles a rice grown in the tropics.

Because the weedy forms are closely related to rice varieties that were never grown in the U.S., they probably arrived as contaminants in grain stocks from Asia instead of evolving directly from the tropical japonica crops grown here. The question, Olsen says, is whether crops reverted to wild forms by reversing the genetic changes that resulted in their domestication or through mutations that circumvented domestication in other ways.

At the genetic level the history of the weedy forms turns out to be messier than that of the crop forms.

For example, the weeds carry the crop form of the loss-of-shattering gene, which means that they branched off from the crops sometime after people selected for loss of shattering. The weedy forms shatter, but they've re-evolved this ability by some other, as yet unknown, pathway, he says.

Weeds stealing crop genes

The most important part of this story, Olsen says, is that the genetic histories of the crops and the weeds are closely intertwined. This means the weedy forms can draw on both ancestral genes and crop genes as they respond to the selection pressures of modern agriculture.

Even though both weedy strains arose in Asia, he says, weedy rice became a problem in southeast Asia only in the last few decades. The reason is that rice seedlings were traditionally grown in paddies and then transplanted to the fields by hand. As they worked in the fields, farmers would recognize and pull weeds growing there.

But on industrialized farms, rice is sprouted directly in the field, so there's no opportunity to remove weeds. Because the seedlings of both weedy and cultivated rice look alike, farmers often don't realize they have a problem until the field is really infested.

Weedy infestations can drop the yield by as much as 80 percent, Olsen says. If a field is heavily infested, the farmer's only recourse may be to abandon it.

In the U.S. weedy rice is increasingly combatted by growing herbicide resistant crop strains, Olsen says. In recent years more than a third of U.S. rice fields have been planted with herbicide-resistant rice.

But that places huge pressure on the weeds to acquire herbicide resistance by hook or by crook.

The mechanism of herbicide resistance that is bred into the crop is pretty simple, Olsen says. It's basically a single amino-acid change in a particular gene, although newer varieties are getting a bit fancier and multiple genes may be involved. So it would be pretty easy for random mutations to confer resistance on the weeds.

The other possibility is that resistance genes will migrate from the crop to the weeds. Because both cultivated rice and weedy rice tend to self-fertilize, there hasn't been a lot of gene flow going on in rice in general, Olsen says.

But the crop and the weeds -- which are, after all, the same species -- could easily hybridize now that selective pressure is favoring gene flow.

"We're already seeing more and more hybridization occurring," Olsen says. "It's going to change the overall composition of the weeds in U.S. rice fields and presumably elsewhere in the world as well."

Tanaman GM Meningkatkan Perkembangan Superweed

Telah hampir dua dekad sejak penanaman meluas tanaman ubahsuai genetik (GM) tanaman di Amerika Syarikat yang pertama bermula, dan kejadian "superweed" (rumpai super) iaitu rumpai yang kebal terhadap racun kimia telah meningkat. Menurut kajian baru-baru ini oleh Marion Nestle, Profesor Nutrisi, Pengajian Makanan, dan Kesihatan Awam di Universiti New York (NYU), jawapan industri kepada masalah ini adalah sebenarnya menjadi punca kepada masalah ini.

Nestle yang pernah berkhidmat di dalam Jawatankuasa Penasihat Makanan US Food and Drug Administration (FDA) apabila GM mula dicadangkan untuk digunakan, yang menjadi permulaan bagaimana "Frankencrops" mula-mula masuk ke dalam arus perdana pertanian. Dan, walaupun banyak amaran dibentangkan pada masa itu tentang kemunculan potensi superweed, FDA memutuskan untuk membenarkan penanaman GMO.

Berbanding kadar pada tahun 1996, peratusan tanaman GM yang ditanam dan digunakan di Amerika Syarikat telah meningkat dengan pesat. Menurut angka terbaru yang dikeluarkan oleh Perkhidmatan Penyelidikan Ekonomi Jabatan Pertanian Amerika Syarikat (USDA), kacang soya GM yang kebal kepada racun, misalnya, mewakili 94 peratus daripada semua kacang soya yang kini ditanam di Amerika Syarikat.

Jagung dan kapas tidak banyak berbeza, dengan jagung GM mewakili 88 peratus daripada pengeluaran jagung di Amerika Syarikat, dan kapas GM mewakili 90 peratus daripada pengeluaran kapas di Amerika Syarikat. Dan dengan penanaman GM telah muncul beratus-ratus pelbagai jenis superweed yang kini menimpa berjuta-juta ekar tanah tanaman AS.

"Rintangan rumpai terhadap racun telah merebak ke lebih daripada 12 juta ekar tanah di AS terutamanya kawasan pertanian utama di Tenggara AS dan tanaman jagung dan kacang soya di kawasan Timur Tengah AS," kata Reuters. "Banyak rumpai terburuk, ada yang membesar lebih daripada enam kaki dan boleh mengurangkan hasil tanaman dengan mendadak, telah menjadi tahan kepada pembunuh rumpai popular Roundup berasaskan glyphosate, serta lain-lain racun rumpai biasa."

Penyelesaian industri terhadap superweed ialah menggunakan lebih banyak bahan kimia

Menurut industri bioteknologi, salah satu manfaat utama GM adalah bahawa mereka kononnya memerlukan penggunaan bahan kimia yang jauh lebih rendah berbanding dengan tanaman konvensional, yang menjimatkan wang petani dan melindungi alam sekitar. Tetapi apabila superweed telah muncul, penyelesaian industri adalah menggunakan lebih banyak bahan kimia, dan pelbagai jenis bahan kimia kepada tanaman.

Salah satu manifestasi terbaru ini adalah desakan industri untuk penyahkawalseliaan 2,4-D, bahan kimia yang sangat toksik yang merupakan komponen yang dahulunya digunakan dalam "Agen Oren," semasa Perang Vietnam. 2,4-D, telah diberitahu, akan menyelesaikan masalah superweed, dengan memasukkannya dalam kitaran kawalan rumpai - bagi tujuan mempelbagaikan penggunaan racun bagi mengelakkan kerintangan rumpai.

Tetapi tidakkah bahan kimia ini menjadi punca kepada superweed sebelum ini? Mengapa petani perlu menggunakan lebih banyak bahan kimia penyebab rintangan, yang hanya akan membawa kepada superweed dengan terjadinya rintangan yang belum pernah terjadi sebelum ini? Dalam tempoh tertentu, sebarang cadangan untuk menggunakan lebih bahan kimia akhirnya akan membawa kepada kematian kepada sektor pertanian.

"Aplikasi racun herba berganda akan menggalakkan rumpai tahan kepada racun yang berganda, dalam cara yang sama dengan penggunaan pelbagai antibiotik telah membawa kepada pelbagai bakteria tahan kepada antibiotik," menurut Danielle Venton yang menulis di The Goat Blog. "Bidang perubatan telah bertindak balas kepada masalah ini dengan meningkatkan pengeluaran pelbagai antibiotik yang digunakan untuk merawat jangkitan. Syarikat kimia pertanian juga melakukan perkara yang sama."

Artikel lepas: Superweed meningkatkan penggunaan racun

"Superweed" meningkatkan penggunaan racun

ScienceDaily (Oct. 2, 2012): Satu kajian yang diterbitkan minggu ini oleh profesor penyelidikan Charles Benbrook dari Washington State University mendapati bahawa penggunaan racun rumpai dalam pengeluaran tiga tanaman yang diubahsuai secara genetik (GM) yang mempunyai toleransi kepada racun - kapas, kacang soya dan jagung - sebenarnya meningkat.

Penemuan yang bertentangan berdasarkan analisis lengkap data awam yang didapati daripada Jabatan Pertanian Negara AS di bawah Perkhidmatan Kebangsaan Perangkaan Pertanian. Analisis Benbrook adalah kajian awal, yang membuat anggaran kesan terhadap tanaman ubahsuaian genetik (GE) herbicide resistance (HT) kepada penggunaan racun perosak.

Dalam kajian itu, yang muncul dalam akses terbuka, peer-review jurnal Sains Alam Sekitar Eropah, Benbrook menulis bahawa kemunculan dan penyebaran rumpai yang resistan terhadap glyphosate berkait rapat dengan trajektori menaik dalam penggunaan racun rumpai. Dipasarkan sebagai Roundup dan nama-nama perdagangan yang lain, glyphosate adalah racun rumpai yang mempunyai spektrum luas sistemik yang digunakan untuk membunuh rumpai. Kira-kira 95 peratus daripada kacang soya dan kapas, dan lebih daripada 85 peratus daripada jagung, ditanam dengan varieti ubahsuaian secara genetik yang resistan terhadap racun.

"Rumpai yang resistan telah menjadi masalah utama bagi petani yang banyak bergantung kepada tanaman GE, dan mereka kini menggunakan sehingga 25 peratus lebih racun yang diperlukan setiap tahun," kata Benbrook.

Kenaikan tahunan dalam penggunaan racun rumpai yang diperlukan untuk kawalan rumpai di atas tanah pertanian ditanam dengan kultivar GE telah berkembang daripada 1.5 juta pound pada tahun 1999 kepada kira-kira 90 juta pound pada tahun 2011.

Tanaman yang resistan terhadap racun menunjukkan prestasi yang baik pada tahun pertama sehingga beberapa kali penggunaan, tetapi telah membawa kepada perubahan dalam fisiologi rumpai dan penyebaran rumpai yang resistan sehingga memaksa petani meningkatkan kadar aplikasi racun rumpai (terutama glifosat), membuat semburan lebih kerap dan menambah racun rumpai baharu yang mempunyai mod tindakan alternatif ke dalam program semburan mereka.

Artikel sebelum ini: "Superweed" ancaman kepada keselamatan makanan

Underground Solution to Starving Rice Plants

ScienceDaily (Aug. 22, 2012) — Scientists have pinpointed a gene that enables rice plants to produce around 20% more grain by increasing uptake of phosphorus, an important, but limited, plant nutrient.

Close-up of roots that can power increased grain production by taking up more phosphorus thanks to the PSTOL1 gene discovery. (Credit: Image courtesy of International Rice Research Institute)

The discovery unlocks the potential to improve the food security of rice farmers with the lowest value phosphorus-deficient land allowing them to grow more rice to add to global production, and earn more.

The gene -- called PSTOL1 which stands for Phosphorus Starvation Tolerance -- helps rice grow a larger, better root system and thereby access more phosphorus. Farmers can apply phosphorus fertilizers to increase productivity but on problem soils phosphorus is often locked in the soil and unavailable to plants.

Also, phosphorus fertilizer is often unaffordable to poor farmers. Adding to the problem is that phosphorus is a non-renewable natural resource and rock phosphate reserves -- the source of most phosphorus fertilizers -- are running out.

"For many years we have searched for genes that improve phosphorus uptake," said Dr. Sigrid Heuer, senior scientist at the International Rice Research Institute (IRRI) and leader of the team that published the discovery in Nature.

"We've known for a long time that the traditional rice variety Kasalath from India has a set of genes that helps rice grow well in soils low in phosphorus," she added. Kasalath's superior performance under phosphorus deficiency was initially discovered by Dr. Matthias Wissuwa from the Japan International Research Center for Agricultural Sciences. He then started collaborating with IRRI and shared the DNA information of Kasalath. The current research was supported and facilitated by the CGIAR Generation Challenge Program.

"We have now hit the jackpot and found PSTOL1, the major gene responsible for improved phosphorus uptake and understand how it works," Heuer said. According to Dr. Wricha Tyagi at the School of Crop Improvement at the Central Agricultural University in the Indian state of Meghalaya, knowledge of the exact gene will be critical for future breeding programs suited to Eastern and North-Eastern -- parts of India where rice productivity is less than 40% of the national average due to acidic soil and poor availability of phosphorus.

The discovery of the PSTOL1 gene means that rice breeders will be able to breed new rice varieties faster and more easily, and with 100% certainty their new rice will have the gene.

Dr. Joko Prasetiyono, of the Institute for Agricultural Biotechnology and Genetic Resources Research and Development in Indonesia, is breeding rice plants with the PSTOL1 gene. The plants are not genetically modified just bred using smart modern breeding techniques.

"In field tests in Indonesia and the Philippines, rice with the PSTOL1 gene produced about 20% more grain than rice without the gene," said Heuer. "In our pot experiments," she added, "when we use soil that is really low in phosphorus, we see yield increases of 60% and more, suggesting it will be very effective in soils low in phosphorus such as in upland rice fields that are not irrigated and where farmers are often very poor."

The PSTOL1 gene is also being tested in rice varieties for the more productive irrigated rice-growing areas and initial results show that the plants grow a better root system and have higher production too. This means it could help farmers in these areas reduce their fertilizer use and expenditure without compromising productivity. The discovery also demonstrates the importance of conserving the genetic diversity of traditional crop varieties such as Kasalath. IRRI conserves more than 114,000 different types of rice in the International Rice Genebank.

The group of rice (the aus-type) that Kasalath is part of is also the source of the submergence tolerance gene, which IRRI has used to breed submergence-tolerant (Sub1) rice varieties that are being widely adopted across Asia.

New rice varieties with the enhanced capacity to take up phosphorus may be available within a few years to farmers.

Genetically Modified Grass Could Make Superweed Problem Worse

A genetically engineered grass expected to hit U.S. markets without government review could speed the evolution of hard-to-control weeds, and perhaps require a return to toxic herbicides scrapped decades ago.

On July 1 — a Friday afternoon, a time usually reserved for potentially controversial news — the U.S. Department of Agriculture announced that Scotts Miracle-Gro’s herbicide-resistant Kentucky bluegrass would be exempt from tests typically required of transgenic crops.

Scotts Miracle-Gro is the largest U.S. retailer of grass seed, and the modified grass could be widely used in residential lawns. It’s resistant to glyphosate, a front-line herbicide known commercially as Roundup.

The grass will survive extra doses of Roundup, allowing more than usual to be applied. That’s the problem, said agricultural biotechnology expert Douglas Gurian-Sherman of the Union of Concerned Scientists.

“The more a chemical is used consistently, the more likely that somebody’s weeds will become resistant. That’s standard, agreed-upon science,” said Gurian-Sherman. “The way that Roundup is used because of transgenic crops exacerbates that problem.”

Herbicide resistance evolves in much the same way as antibiotic resistance: When a weed- or bug-killing compound is applied, any weeds or bugs lucky enough to be genetically resistant will have the best chance to survive and reproduce.

Many crop plants are already engineered to be Roundup-resistant, and heavy use of the herbicide appears to have fueled the evolution of dozens of Roundup-resistant weed strains. They’re a major threat to agriculture in parts of the United States, virtually uncontrollable except by hand-pulling or a return to toxic, decades-old herbicides that the relatively benign Roundup had replaced.

“The industry hasn’t developed a new herbicide in a long time. When resistance develops to something like glyphosate, it’s not like we can move to some new chemical,” said Gurian-Sherman. Compared to pigweed that can grow three inches each day in soybean fields, Roundup-resistant lawn weeds would be a nuisance rather than an economic threat. But just as superweeds have pushed farmers to bring back toxic herbicides, so might they push homeowners and landscapers.

“We’re burning out Roundup and going back into the past,” said Gurian-Sherman. “The same kind of thing could happen in residential use.”

Another potential problem is the spread of Roundup resistance into related strains of bluegrass, said plant geneticist Norman Ellstrand of the University of California, Riverside.

“I don’t know what other bluegrass species it’s cross-compatible with, but I can say with 98 percent certainty that it’s cross-compatible with some,” said Ellstrand. “If this plant grows and flowers at the same time as other bluegrass, they’ll flourish. You’ll have a new incidence of herbicide resistance getting into the wild.”

Whereas Kentucky bluegrass is popular for lawns, it’s not always welcome. Other members of its 500 species-strong genus are considered weeds.

A lesson can be taken from the unintentional escape of genes from rice bred for resistance to the Clearfield herbicide, said Ellstrand. “Now you have a very bad, weedy rice in Costa Rica that’s resistant to the herbicide,” he said. “It doesn’t happen easily with rice. If it happens with rice, it will happen with bluegrasses.”

Another species of Roundup-resistant grass developed by Scotts Miracle-Gro for golf courses was nixed by the USDA because of fear that resistance would spread to related pest species, noted Ellstrand. “The U.S. Forest Service waded in and said, ‘We don’t want it,’” he said.

Had the the Department of Agriculture decided to treat Roundup-ready bluegrass as a genetically modified plant, extra assurance of its environmental safety would have been demanded. But they decided not to because it fit through a loophole.

Genetically engineered plants are technically designated for regulation according to methods used to insert and activate new genes. Earlier methods used bacteria, which triggered pest-related clauses of the USDA’s Plant Protection Act. But the Roundup-ready bluegrass was made with a so-called gene gun. No bacteria were involved, and the law’s fine print was satisfied.

“By all definitions of genetic engineering, that’s genetic engineering. But it totally escapes the U.S. regulatory framework,” Ellstrand said.

According to Scotts Miracle-Gro spokesman Lance Latham, the USDA’s decision “allows us to move forward with field tests. It’s a first step. It’s our hope that testing will continue our advancement to develop grass seed that is even more sustainable.”

Credit: Brandon Keim - Wired Science reporter and freelance journalist.

Superweed - ancaman kepada keselamatan makanan

Superweed (rumpai super) adalah terma yang digunakan bagi menggambarkan rumpai yang resistan kepada racun. Superweed merupakan tumbuhan hibrid yang mengandungi gen untuk resistan kepada racun: dihasilkan secara tidak sengaja oleh kacukan silang diantara tanaman yang diubahsuai secara genetik dengan tumbuhan liar.

Superweed kini merupakan ancaman terbesar dalam industri pengeluaran makanan

Superweed yang resistan kepada racun perosak mengancam ladang tanaman di dunia amnya dan Amerika Syarikat khususnya dalam kadar yang terlalu pantas. Pada hari ini, dianggarkan 12 juta ekar tanaman makanan di AS menghadapi masalah superweed. Ini menyebabkan generasi tumbuhan baharu mempunyai genetik untuk menahan dos berganda serta tambahan toksik bahan kimia di dalam racun pembunuh rumpai.

Rumpai ini boleh pergi setapak lagi daripada sekadar mampu bertahan satu atau dua atau tiga jenis racun pembunuh rumpai tertentu. Tekanan kimia yang sengit boleh menyebabkan mereka berubah untuk beradaptasi dan membina kerintangan kepada semua kelas bahan kimia.

"Jenis rintangan yang dipilih oleh tumbuhan ini akan berbeza daripada apa yang kita lihat pada masa lalu," kata pakar agroekologi Bruce Maxwell dari Montana State University. "Tumbuhan akan memilih jenis rintangan yang lebih berasaskan metabolisma, dan mungkin menjadi rintang kepada semua jenis racun rumpai."

Superweed dilihat sebagai wabak yang cepat merebak yang mampu mengambil alih tanah ladang AS tidak lama lagi dan sukar untuk dihentikan dengan mudah; dan petani dan pegawai-pegawai kerajaan perlu mengubah amalan sedia ada jika pengeluaran makanan hendak dilindungi, menurut pakar industri. "Ini adalah masalah yang kompleks," kata saintis rumpai David Shaw dalam ucapan Sidang Kemuncak Kebangsaan Pakar Rumpai di Washington yang merumuskan satu pelan untuk mengatasi masalah superweed.

Generasi baharu tanaman bioteknologi mencetuskan kontroversi kepada Jabatan Pertanian AS (USDA) apabila Dow memperkenalkan jagung yang "dikurniakan" dengan gen yang membolehkan ia bertolak ansur dengan racun glifosat pada dos yang tinggi yang dikenali sebagai Roundup dan racun 2,4-D.

Kembali kepada pertengahan tahun 1990-an, apabila Roundup-ready seed membenarkan petani untuk menyembur racun Roundup terus ke ladang tanpa perlu takut ia akan merosakkan tanaman, 2,4-D dan lain-lain bahan kimia menjadi tidak popular. Mereka adalah lebih toksik dan kurang berkesan daripada glifosat dan petani dengan senang hati menggantikan mereka dengan rawatan tunggal Roundup bagi semua kegunaaan.

Tanaman yang dicipta untuk bertahan glifosat (Roundup-ready variety) yang dicipta oleh Monsanto kini terdiri daripada 94 peratus kacang soya, 73 peratus daripada kapas, dan 72 peratus daripada jagung yang ditanam di AS. Glifosat diaplikasikan pada kadar tujuh kali lebih tinggi daripada semua racun herba lain yang digabungkan dalam ladang kacang soya dan 1.6 kali kadar dalam ladang kapas, menurut Cropnosis sebuah syarikat perunding pertanian.

Bagi tanaman padi, tiga syarikat gergasi kimia pertanian mencipta varieti padi yang resistan kepada racun. Monsanto pada 2000-2001 telah memperkenalkan Roundup Ready rice, yang resistan kepada glifosat (Roundup). Bayer memperkenalkan LibertyLink rice yang merupakan padi transgenik yang mempunyai kerintangan kepada glufosinate (Libertylink). BASF mengeluarkan produk yang popular kini iaitu Clearfield (kod nama IMITR - imidazolinone tolerant rice) yang dihasilkan melalui proses mutagenesis dengan kaedah kacukan silang. Clearfield rice resistan kepada racun imidazolinone (nama dagangan: On Duty).

Di AS, sebanyak 20 tanaman ubahsuaian genetik berada di bawah pertimbangan peraturan persekutuan, dimana 13 daripadanya direka untuk menentang pelbagai jenis racun rumpai. Mereka mencadangkan pada masa depan di mana lebih banyak tanah ladang dirawat dengan racun rumpai dalam dos yang semakin tinggi, dan telah dikritik oleh para aktivis dan penyelidik yang bimbang mengenai bahaya bahan kimia kepada kesihatan manusia dan alam sekitar.

"Kerintangan berlaku, terutamanya apabila wujud tekanan pemilihan kepada tumbuhan; sebahagian besarnya dari satu atau dua taktik untuk mengatasi bahan kimia racun perosak," kata ahli ekologi rumpai Daud Mortensen dari Penn State University. "Tumbuhan diprogramkan untuk melindungi diri mereka dari sebatian memudaratkan dalam beberapa cara yang menarik."

Januari lalu, Mortensen dan Maxwell bersama menulis "Navigating a Critical Juncture for Sustainable Weed Management," yang menerangkan dua kaedah bagaimana superweed terhasil.

Pertama, selepas mutasi genetik membantu enzim rumpai memecahkan komponen sebatian kimia tertentu daripada racun rumpai A atau mencegah bahan kimia daripada memasuki sel-sel, tumbuhan tersebut melakukan kacukan silang dengan tumbuhan yang lain yang resistan kepada racun rumpai B. Keturunannya mewarisi kedua-dua pertahanan (A+B).

Kira-kira 108 strain daripada 38 spesies rumpai telah menjadi resistan kepada pelbagai jenis racun rumpai. Adaptasi ini jauh lebih sukar untuk dikendalikan, kata Mortensen dan Maxwell.

Jumlah global bagi populasi rumpai yang resistan kepada dua atau lebih jenis racun rumpai. Gambar: Mortensen et al./BioScience

Tumbuhan boleh menjalani perubahan dalam bagaimana mereka menyahtoksik sendiri atau menjalankan proses metabolisme bagi penguraian bahan-bahan asing, menjadikannya lebih cekap membuang toksin atau toksin tersebut tersangkut di dalam struktur sel pembendung yang dipanggil vacuoles. Penyesuaian yang terhasil menyediakan pertahanan spektrum luas terhadap bahan kimia yang banyak, bukan hanya mereka yang mengalami mutasi.

Penambahbaikan kepada sistem kerintangan tidak berlaku dengan mudah, memerlukan mutasi yang banyak dan sering menjejaskan kadar pertumbuhan dan kesihatan am tumbuhan. Tetapi Mortensen dan Maxwell mengatakan bahawa, secara paradoks, peningkatan penggunaan racun rumpai berganda secara serentak akan menjadikan mereka lebih cenderung untuk mewujudkan kerintangan.

Dalam ladang yang dirawat dengan satu racun rumpai, sebagai contoh, rumpai memperlahankan pertumbuhannya untuk menjana kerintangan metabolik yang lebih baik. Tetapi jika ladang yang dirawat dengan racun rumpai yang pelbagai, rumpai yang spesifik akan terhapus, meninggalkan mutan metabolik untuk bersaing dengan satu sama lain. Ekstrapolasi dinamik ini yang berlaku di kawasan yang luas, tahun demi tahun, memberi implikasi yang dahsyat. Walaupun situasi ini jarang berlaku, pakar rumpai tidak memandang rendah terhadap potensi rumpai ini.

Maklumat pada pakej benih jagung Pioneer yang mempunyai kerintangan kepada racun rumpai dan racun serangga. (Orin Hargraves/Flickr)

Di Australia, penyelidik telah mengenal pasti strain Lolium, rumpai yang biasa dikenali sebagai ryegrass, dengan penyesuaian detoksifikasi yang memberi kerintangan kepada tujuh mod tindakan racun rumpai yang berbeza. Penyesuaian ini dibangunkan secara semulajadi dan bukannya sebagai akibat daripada penggunaan racun rumpai, tetapi menunjukkan petanda ia boleh dilakukan.

Kesan kerintangan ini tidak dapat disambungkan kepada tekanan racun rumpai, Maxwell berpendapat ia mungkin tidak dapat dikesan kerana rumpai yang disembur akan kelihatan layu dan hampir mati. Mereka yang mencari rumpai dengan ketahanan semulajadi memberi tumpuan kepada strain yang kelihatan sihat. Maxwell mencadangkan persampelan dibuat dengan mengambilkira rumpai yang terjejas oleh racun kerana menurut beliau; "jenis rintangan lain yang tidak meyakinkan wujud di dalam tumbuhan. Mutan ini adalah di luar sana. Mereka menjadi lebih kerap. Tidak lama selepas itu, jika kita mula pensampelan dengan betul, kita akan menemui mereka dengan lebih kerap."

Ketika penggunaan racun rumpai pengganti meningkat, begitu juga risiko membunuh tanaman berdekatan secara tidak sengaja. Ketika musim panas, aplikasi racun rumpai Dicamba (BASF) dan 2,4-D (Dow) kedua-dua cenderung untuk meruapkan, menukar bahan kimia ke dalam wap yang boleh hanyut ke tanah yang berdekatan. (Volatiliti bukan suatu masalah dengan glifosat, yang juga kurang memberi ancaman kepada air daripada racun rumpai lain kerana ia mengikat kepada tanah). Itulah risiko yang besar untuk tanaman berturut-turut, seperti anggur, sayur-sayuran, dan bunga. Untuk menangani kebimbangan ini, Dow telah mencipta 2,4-D yang kurang meruap - mengkehendaki racun diaplikasi bersama benih sebagai satu pakej, kata Tim Hassinger, Naib Presiden Perniagaan Tanaman Global Dow. BASF juga sedang membangunkan produk Dicamba yang kurang meruap untuk disesuaikan dengan produk tanaman Monsanto, kata Nevin McDougall, Naib Presiden Kanan BASF. Dari kaca mata penganalisa pertanian, kerintangan rumpai kepada Roundup membuka peluang syarikat lain seperti Dow, Dupont, Bayer, BASF dan Syngenta menghidupkan semula produk lama mereka untuk bersaing dengan Monsanto.

Stephen Powles Pengarah Australian Herbicide Resistance Initiative dianggap sebagai salah seorang daripada pakar-pakar terkemuka di dunia pada kerintangan racun rumpai berkata, "adalah tidak mungkin bagi racun perosak menekan evolusi tumbuhan kepada pembangunan gen yang resistan kerana mutasi merupakan proses yang terlalu rumit." Tetapi Pat Tranel dari University of Illinois, pakar kerintangan racun rumpai terkemuka, berkata "ia (kerintangan kepada racun) kelihatan munasabah. Idea corak kerintangan luas telahpun didokumenkan."

"Ia benar-benar sukar untuk meramalkan apakah rintangan balas anda akan dapat jika anda menggunakan tanaman yang resistan secara besar-besaran dan menggunakannya setiap tahun, seperti yang dilakukan dengan tanaman yang resistan kepada glifosat, kerana anda akan lebih cenderung untuk mendapatkan rintangan metabolik, "kata pakar fisiologi tumbuhan USDA Stephen Duke. "Ia membuatkan evolusi (kerintangan kepada racun rumpai) yang akan berlaku menjadi lebih mudah."

Pakar mencadangkan tanaman yang resistan kepada racun tidak digunakan berulang kali - musim ke musim dan tahun ke tahun. Kerintangan akan lebih mudah terjadi dalam amalan mono kultur seperti tanaman padi, jagung, kacang soya dan gandum. Duke memberi amaran bahawa sukar untuk menyatakan berapa lama masa yang diambil untuk rintangan metabolik berkembang. Beliau menambah, apabila rintangan metabolik terhasil, amat sukar untuk mengatasinya.

"Hanya kerana tumbuhan menghasilkan rintangan metabolik tidak bermakna ia secara automatik akan menjadi resistan kepada semua racun rumpai. Masih ada perbezaan dari segi keupayaan untuk menangani bahan kimia yang berbeza, kata Mark Peterson dari Dow Agro Science.

Peterson mempertahankan pendekatan yang digunakan Enlist (racun rumpai keluaran Dow), dan berkata evolusi rumpai berpandukan bagaimana racun rumpai digunakan, tanpa mengira sama ada tanaman konvensional atau tanaman yang resistan. "Terdapat pelbagai cara untuk menggunakan segala peralatan dalam kotak alatan, sama ada ia racun rumpai yang berbeza atau racun rumpai dalam bentuk kombinasi dengan amalan yang lain yang akan menyukarkan rumpai untuk membentuk kerintangan" kata Peterson.

Reformis pertanian industri mengesyorkan apa yang dikenali sebagai pengurusan rumpai bersepadu, satu set taktik kitaran penanaman yang diubahsuai, penggunaan herbisid yang bijak, pilihan benih yang khusus pada lokasi - bertujuan untuk mengawal rumpai dengan kos kepada alam sekitar yang minima. Kerana teknik kawalan rumpai akan berbeza-beza di antara tahun dan musim, rintangan akan berubah secara perlahan-lahan.

Penggunaan racun rumpai dalam tanaman kacang soya di Amerika Syarikat. Gambar: Mortensen et al./BioScience

"Sebagai ahli agronomi dan petani, kita telah melupakan prinsip asas kawalan perosak bersepadu dan pengurusan," kata James Gray, pengarah eksekutif pertanian industri menyokong Pasukan Petugas 2,4-D. Menurut Gray, industri telah mengambil iktibar akibat kebergantungan kepada glifosat, dan Dow akan membuat pengurusan rumpai bersepadu sebagai sebahagian daripada sistem Enlist.

"Akan ada usaha untuk mengingatkan pengamal untuk memikirkan mekanisme terbaik bagi setiap ladang dan tidak hanya bergantung kepada penggunaan yang berubah-ubah dari satu racun rumpai kepada racun rumpai yang lain," katanya. "Adalah penting untuk kami menguruskan penggunaan yang wajar bagi sebatian ini."

Buat masa ini, bagaimanapun, penyelidik bukan industri kelihatan sangsi dengan perubahan syarikat korporat ini.

Maxwell dan Mortensen menyedari penyelidikan pertanian dan industri berat yang berat sebelah ke arah penyelesaian berasaskan racun rumpai, dengan pengaruh yang boleh diramal kepada penyelidik akademik dan kerajaan yang sering bergantung kepada sokongan industri. Satu survey yang dijalankan oleh penyelidik saintis rumpai menemui bagi setiap dua orang yang bekerja bagi racun rumpai, hanya seorang bekerja mengkaji pendekatan kawalan bersepadu.

"Terus terang, mereka tidak mendapat wang apabila mereka memperkenalkan strategi kawalan bersepadu," kata Tranel. "Monsanto atau Syngenta tidak lagi membuat wang daripada seorang petani yang menanam tanaman penutup bumi. Paradigma semasa kami begitu banyak bergantung kepada racun kimia. Itulah alat yang kita gunakan, yang paling kos efektif sekarang. Sehingga masalah ini (resistan kepada racun rumpai) belum wujud, mereka akan terus bergantung kepada racun kimia dan tidak akan beralih".

Genetik Pada Metabolisma Padi

Satu kajian besar-besaran menganalisis sebatian metabolik dalam padi yang dijalankan oleh penyelidik di Pusat Sains Pertanian RIKEN (PSC) dan bersama kolaborasi mereka telah mengenalpasti 131 metabolit padi dan menjelaskan faktor genetik dan persekitaran yang mempengaruhi pengeluarannya.

Sebagai salah satu tanaman ruji yang paling penting, beras memainkan peranan penting dalam membekalkan nutrien yang diperlukan untuk menjaga kesihatan penduduk dunia. Nilai pemakanan tanaman padi ditentukan oleh jenis dan kuantiti metabolit yang dikandungnya, yang amat dipengaruhi oleh faktor persekitaran dan genetik. Memahami faktor-faktor ini adalah penting untuk meningkatkan nilai pemakanan, tetapi hubungan kompleks antara gen dan metabolisme tumbuhan membuatkan cabaran yang getir.

Di tengah-tengah cabaran ini yang dipanggil - quantitative train loci (QTL), terbentang jujukan DNA yang mengandungi pautan kepada gen bagi sifat fenotip, dalam kes ini tahap metabolit. Di dalam membiakbaka padi yang menghasilkan lebih daripada satu metabolit khusus (contohnya metabolit yang meningkatkan nilai pemakanan), anda perlu tahu kawasan DNA yang terlibat dan apakah peranannya. Ini amat sukar kerana tahap metabolit dikawal oleh QTL yang pelbagai dan juga dipengaruhi oleh alam sekitar.

Untuk menyelesaikan masalah ini, penyelidik di PSC bekerjasama dengan rakan sejawat mereka di National Institute of Agrobiological Science (NIAS) untuk menganalisis metabolomik QTL (mQTL) bijian beras menggunakan saluran spektroskopi jisim yang dibangunkan di PSC. Analisis 85 talian eksperimen padi yang dibiakkan khas untuk analisis QTL, yang disediakan oleh penyelidik NIAS dan dituai pada tahun 2005 dan 2007, telah menghasilkan sebanyak 759 isyarat metabolit. Daripada ini, pasukan penyelidik mengenal pasti 131 metabolit, termasuk asid amino, lipid, dan flavonoid, dan mengenal pasti sejumlah 801 mQTL di sekitar genom beras.

Penemuan yang paling penting pasukan ini menunjukkan bahawa kebanyakan peringkat metabolit padi dipengaruhi oleh faktor persekitaran, walaupun genetik adakalanya boleh memainkan peranan yang lebih penting: kawalan terselaras asid amino telah dikaitkan dengan "hotspot" mQTL pada 3 kromosom, manakala variasi tahap flavenoid telah dikaitkan dengan faktor genetik. Diterbitkan dalam The Plant Journal, penemuan ini menjanjikan masa depan yang lebih cepat, teknik pembiakan yang lebih berkesan bagi padi, dan menandakan satu langkah utama ke arah dunia untuk mendapat makanan yang cukup dan lebih sihat.

Jaringan metabolik padi 

Public Lecture: Can Hybrid Rice avert food crisis?

Introduction of speaker by Datuk Ir. Dr. Ahmad Zaidee Laidin

Prof. Yuan LongPing giving a lecture

The images of slide Prof. Yuan LongPing's slide presentation. Click on the image to view bigger size (800x600).

Pembiakbakaan secara mutasi

Penemuan pembiakbakaan secara mutasi?

Laman web Agricultural Biodiversity Weblog baru-baru ini mencatat transkrip dari program radio BBC Farming Today. Di dalamnya, Brande Wulff dari Makmal Sainsbury menerangkan apa yang disifatkan sebagai "revolusi teknologi yang akan mengubah cara tanaman di dunia berkembang."

"Dr Brande Wulff (Sainsbury Laboratory, Norwich): Well this is a huge leap forward. Traditionally it would have been a, a marathon of five years or so to do this type of work or possibly even a long distance endurance event of ten years or so. Now we’ve reduced that to a short sprint of one or two years. So it’s, time is in, is the essence in this type of work and so it’s really a huge leap forward."

Jadi apa yang mereka lakukan?

• Mereka membuat mutasi tumbuhan elite line dengan mutagen kimia (EMS) atau point mutation;
• Mereka menciptakan generasi maju mutant (contohnya M2) supaya mutasi resesif akan kelihatan;
• Mereka mengenal pasti beberapa tumbuhan yang menunjukkan ciri-ciri baharu (seperti daun hijau pucat, kerintangan terhadap racun atau sifat semi-kerdil - yang akan menjadi sifat pertanian penting);
• Mereka membuat kacukan silang setiap individu-individu ini dengan wildtype parent line dan menjana serta mengasingkan populasi F2;
• Mereka mengumpulkan semua tumbuh-tumbuhan F2 yang setiap satunya menunjukkan sifat baharu dan menyusun semula mengikut turutan genome;
• Mereka membandingkan turutan genome yang bermutasi dengan turutan wildtype parent sebagai rujukan dan mengenal pasti gen yang dikaitkan dengan ciri-ciri baharu.

Bahagian manakah yang melibatkan revolusi teknologi?

• Mengenal pasti gen tunggal yang memberi kesan yang besar? Tidak, ini mudah dilakukan.
• Meningkatkan keupayaan untuk menyelesaikan ciri-ciri kuantitatif (disebabkan oleh banyak gen yang memberi kesan yang kecil)? Tidak.
• Mencipta perubahan novel genetik melalui mutagenesis? Tidak.
• Mengenal pasti gen yang dikaitkan dengan sifat (trait) daripada data genomik? Tidak.
• Menambah baik phenotype? Tidak sama sekali.

Daripada apa yang saya boleh beritahu, mereka hanya membuat TILLING berdasarkan susunan (sequence), yang telah dilaksanakan sebagai satu perkhidmatan oleh syarikat-syarikat bioteknologi dan makmal akademik. Mereka mempunyai beberapa helah yang bijak, tetapi saya tidak fikir mereka akan memperbaikinya. Salah satu helah penting mereka ialah; "ia bukan kejuruteraan atau modifikasi genetik, tetapi ia dibangunkan melalui mutagenesis". Tetapi harus diingat, banyak implikasi yang sama seperti kejuruteraan genetik kerana pembiakbakaan secara point mutation ini melibatkan penggunaan racun dan perlindungan paten.

Terdapat dua bentuk masalah di sini

Pertama, ia sangat jarang berlaku ciri-ciri (trait) penting pertanian yang akan dikawal oleh gen tunggal - kerana kebanyakan ciri-ciri jauh lebih rumit daripada ini dan mudah untuk mengenal pasti gen yang sebahagian besarnya telah dapat diselesaikan. Saya akan terkejut jika ada banyak lagi "buah yang tergantung rendah masih belum dituai".

Kedua, kesesakan terbesar dalam semua bentuk penambahbaikan tanaman ialah membuat phenotyping. Ia agak mudah untuk mengenal pasti salah satu tumbuhan semi kerdil daripada beribu-ribu tumbuhan yang normal. Namun ia sangat sukar untuk mengukur ciri-ciri yang kompleks, seperti rintangan kepada penyakit, kesesuaian kepada tekanan cuaca dan potensi hasil. Saya tidak akan pergi ke semua sebab-sebab mengapa ini adalah benar, tetapi ia adalah sebab mengapa mutasi pembiakan tradisional kebanyakannya hanya terhad kepada ciri-ciri yang jelas.

Dan ini adalah perkara yang saya benar-benar tidak faham. Mereka memilih phenotype baharu (setakat yang saya boleh beritahu) dengan cara yang sama (yang tidak cekap) sejak awal pembiakan - dan satu-satunya perkara yang nampaknya ditambah baik adalah kebolehan mereka untuk mengenal pasti gen tunggal yang memberi kesan utama yang disebabkan oleh phenotype yang sudah pun dikenal pasti. Ini merupakan bahagian yang mudah.

Amat mengecewakan pembiakan sedemikian diberi publisiti melalui propaganda dan promosi di media. Kita juga sering mendengar kemajuan peningkatan saintifik yang dijual sebagai kejayaan teknologi dan dipatenkan bagi melindungi "hakcipta" mereka pada gen tumbuhan. Ia menjadikan berita yang lebih menarik, tetapi ia juga menimbulkan jangkaan awam ke tahap yang tidak realistik yang akhirnya membuat advokasi sains menjadi lebih sukar.

Perlindungan hakcipta atau paten oleh syarikat bioteknologi terhadap gen tumbuhan bukanlah sesuatu yang baharu. Monsanto sebagai contoh, dari pertengahan 1990-an telah menyaman 145 individu petani di Amerika Syarikat kerana melanggar hak cipta yang berkait rapat dengan kejuruteraan genetik tanaman. Petani-petani ini disaman kerana menanam benih tanaman yang mempunyai gen yang dipaten oleh Monsanto (Roundup Ready) walaupun petani-petani ini mendakwa gen Monsanto ini dipindahkan ke dalam tanaman mereka melalui kacukan silang (cross pollination) yang berlaku di luar kawalan mereka.

Dalam satu kes mahkamah yang mendapat perhatian umum pada tahun 1998, Monsanto Canada Inc. vs Schmeiser, Monsanto menyaman Percy Schmeiser sebuah syarikat pengeluar benih kanola di Kanada kerana melanggar hakcipta Roundup Ready Canola. Pada tahun 1997, Schmeiser mendapati kanola yang ditanam di ladangnya menjadi resistan kepada racun Roundup (hasil dari kacukan silang). Benih yang resistan ini ditanam semula di ladang tersebut pada tahun 1998 dan dijual sebagai makanan haiwan. Monsanto kemudian menyaman Schmeiser bagi pelanggaran hakcipta, dengan menanam benih Roundup Ready Canola dan gagal untuk mendapatkan lesen bagi menanam kanola. Schmeiser mempertahankan bahawa ini adalah tidak disengajakan. Pertelingkahan Monsanto-Schmeiser menjadi kes berprofil tinggi dan dipindahkan dari Mahkamah Persekutuan ke Supreme Court of Canada. Kes ini mengambil masa yang panjang untuk dibicarakan (1998-2004) dan menjadi satu sejarah kepada perbicaraan yang berkaitan pelanggaran hak cipta genetik tumbuhan. Monsanto menang dengan majoriti tipis 5-4 tetapi mahkamah memutuskan Schmeiser tidak perlu membayar pampasan atau ganti rugi kepada Monsanto kerana ia tidak membuat sebarang keuntungan daripada "pelanggaran hakcipta ini".