จากรากสู่ผล: การวิจัยรากกับการปฏิวัติเขียวครั้งที่สองแห่งศตวรรษที่ 21

โดย ดร. ปฐมพงษ์ แสงวิไล ภาควิชาชีววิทยา คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยมหิดล

ภายในปี ค.ศ. 2050 นี้ ได้มีการประมาณการไว้ว่าโลกของเราจะมีประชากรมากถึงสิบพันล้านคน ซึ่งเพิ่มขึ้นจากจำนวนประชากรปัจจุบันเกือบสองเท่า การเพิ่มผลผลิตทางการเกษตรโดยเฉพาะพืชอาหารหลัก เช่น ข้าว ข้าวโพด และถั่ว ให้เพียงพอกับความต้องการของจำนวนประชากรที่เพิ่มขึ้นนั้นจะมีความท้าทายมากยิ่งขึ้น เพราะนอกจากสภาพอากาศที่มีการเปลี่ยนแปลงและที่ดินทำกินมีอยู่อย่างจำกัดแล้ว พื้นที่ส่วนใหญ่ที่ใช้ในการเกษตรกรรมยังมีความอุดมสมบูรณ์ต่ำและมักเสี่ยงต่อภัยแล้งอีกด้วย ถึงแม้ว่าในช่วงศตวรรษที่ผ่านมา หลายประเทศเช่นสหรัฐอเมริกาและอินเดียได้มีการใช้หลักการ “ปฏิวัติเขียว” ซึ่งประกอบด้วยการปลูกพืชที่ได้รับการปรับปรุงพันธุ์ให้มีลำต้นเตี้ยและมีผลผลิตมาก รวมทั้งมีการใช้ปุ๋ยเคมี ยาฆ่าแมลงและสารกำจัดศัตรูพืชในปริมาณมาก ส่งผลให้ผลิตผลทางการเกษตรนั้นเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว แต่หลักการดังกล่าวได้ก่อให้เกิดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม ตัวอย่างเช่น การปนเปื้อนของปุ๋ยไนโตรเจนและฟอสฟอรัสในแหล่งน้ำธรรมชาติซึ่งก่อให้เกิดมลภาวะเป็นพิษ การปล่อยก๊าซเรือนกระจกต่าง ๆ เช่น ไนตรัสออกไซด์ ที่มาจากพื้นที่เกษตรกรรมขึ้นสู่ชั้นบรรยากาศ ก่อให้เกิดสภาวะโลกร้อนและสภาพอากาศเปลี่ยนแปลง นอกจากนี้การผลิตปุ๋ยเคมีโดยเฉพาะไนโตรเจนนั้นมีค่าใช้จ่ายสูงเนื่องจากต้องใช้พลังงานเชื้อเพลิงในปริมาณมาก เกษตรกรในประเทศกำลังพัฒนาส่วนใหญ่ไม่มีกำลังทรัพย์ที่จะใช้ในการซื้อปุ๋ยและสารเคมี ไม่สามารถเข้าถึงแหล่งเทคโนโลยีและความรู้ได้ ส่งผลให้ผลผลิตทางการเกษตรในประเทศนั้นๆ มีปริมาณต่ำกว่าศักยภาพที่ควรจะผลิตได้อย่างมาก  ในศตวรรษที่ 21 นี้ เราจึงต้องการ “การปฏิวัติเขียวครั้งที่สอง” ที่ให้ประโยชน์แก่เกษตรกรที่ยากจนในประเทศกำลังพัฒนา และหนึ่งในวิธีการดังกล่าวคือการปรับปรุงพันธุ์พืชให้มีระบบรากที่ดีและสามารถดูดซับน้ำและแร่ธาตุจากดินที่แห้งแล้งและไม่อุดมสมบูรณ์ได้อย่างมีประสิทธิภาพมากยิ่งขึ้น

P1

รากเป็นอวัยวะหลักที่พืชใช้ในการดูดซับแร่ธาตุ ช่วยพยุงค้ำจุนลำต้น และมีปฏิสัมพันธ์กับจุลินทรีย์ที่อยู่ในดิน ระบบรากของพืชแต่ละชนิดนั้นประกอบด้วยรากหลายชนิดซึ่งมีจุดกำเนิดและการควบคุมทางพันธุกรรมที่แตกต่างกัน ตัวอย่างเช่น รากแรกเกิดของข้าวโพด (radicle) ที่งอกออกมาจากเมล็ด รากพิเศษแรกเกิด (seminal root) คือรากที่งอกออกมาจากข้อ (seminal node) รากที่งอกออกมาจากข้อของลำต้น (nodal root) ซึ่งถ้างอกจากข้อที่อยู่ใต้ดินจะเรียกว่า crown root และถ้างอกจากข้อบนดินจะเรียกว่า brace root  นอกจากนั้นข้าวโพดยังมีรากแขนง (lateral root) ที่มีจุดกำเนิดจากเนื้อเยื่อในชั้นเพอริไซเคิลและขนราก (root hair) เป็นส่วนที่จากการเปลี่ยนแปลงของเซลล์ที่อยู่บนผิวชั้นนอกของราก ในขณะที่รากของพืชใบเลี้ยงคู่เช่นถั่วประกอบไปด้วยรากแก้ว (tap root) ที่งอกออกมาก่อนจากเมล็ด รากที่อยู่ระหว่างข้อต่อของรากและลำต้นใต้ใบเลี้ยง (basal root) นอกจากนี้ยังมีรากที่งอกออกมาจากลำต้นที่เรียกว่ารากพิเศษ (adventitious root) อีกด้วย

P2
ในช่วงทศวรรตที่ผ่านมา ผลของการศึกษาวิจัยมากมายบ่งชี้ว่ารากของพืชชนิดเดียวกันแต่ต่างสายพันธุ์นั้น มีความแตกต่างหลากหลายทั้งในด้านของโครงสร้างสัณฐาน ลักษะทางกายวิภาคภายใน การตอบสนองต่อสภาวะแวดล้อมจึงมีแนวความคิดที่จะนำเอาความหลากหลายทางพันธุกรรมและลักษณะดังกล่าวเข้ามาใช้เพื่อพัฒนาสายพันธุ์พืช ตัวอย่างเช่น ในดินที่มีปริมาณฟอสฟอรัสต่ำ พืชที่มีลักษณะของรากที่ตื้นจะมีการเจริญเติบโตดีกว่าพืชที่มีระบบรากลึก เนื่องจากฟอสฟอรัสมักจะทำปฏิกิริยากับสารชนิดอื่นภายในดินทำให้การเคลื่อนที่ของฟอสฟอรัสในดินนั้นค่อนข้างจำกัด ส่งผลให้ฟอสฟอรัสมีการสะสมในปริมาณมากที่สุดในดินชั้นบนและผิวดิน ดังนั้นลักษณะของรากที่ทำให้สายพันธุ์พืชที่มีระบบรากตื้น เช่น การมีองศาของเจริญน้อยเมื่อเทียบจากผิวดิน มีรากแขนงที่มีความยาวและหนาแน่นสูง มีแอเรงคิมามากเพื่อลดการใช้พลังงานในการเมตาบอลิซึมและการหายใจ และมีขนรากที่ยาวและมีความหนาแน่นสูง จะช่วยให้พืชมีประสิทธิภาพในการดูดซับฟอสฟอรัสได้ดีและมีผลผลิตเพิ่มขึ้นในดินที่มีฟอสฟอรัสต่ำ ในพื้นที่เกษตรที่มีความแห้งแล้งและมีไนโตรเจนต่ำนั้น สายพันธุ์พืชที่มีระบบรากลึกจะมีการเจริญเติบโตดีกว่าระบบรากตื้น ลักษณะดังกล่าวได้แก่ การมีองศาของเจริญมากเมื่อเทียบจากผิวดิน การมีจำนวนรากน้อย มีความหนาแน่นของรากแขนงต่ำ มีแอเรงคิมาสูง เป็นต้น

การศึกษาวิจัยระบบรากนั้นยังมีอยู่น้อยมากเมื่อเทียบกับการศึกษาลักษณะอื่น ๆ ของพืช ทั้งนี้เนื่องจากธรรมชาติของการศึกษาระบบรากนั้น เป็นงานที่เหนื่อยและสกปรกต้องใช้แรงงานในการขุดและล้างทำความสะอาด นอกจากนี้ลักษณะบางอย่างที่ไม่สามารถมองไม่เห็นด้วยตาเปล่าได้ เช่นลักษณะทางกายวิภาค ต้องมีการใช้เครื่องมือพิเศษต่างๆ เข้ามาเกี่ยวข้อง และยังใช้เวลานานกว่าจะได้ข้อมูลมาวิเคราะห์อีกด้วย อย่างไรก็ตาม ในศตวรรษที่ 21 งานวิจัยระบบรากของพืชนั้นได้รับความสนใจจากนักจัยเพิ่มขึ้น ทั้งนี้เนื่องจากความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีด้านชีววิทยาโมเลกุล วิศวกรรมและพันธุศาสตร์ทำให้นักวิจัยสามารถเข้าถึงและทำการตรวจสอบรากได้ง่ายขึ้น ตัวอย่างเช่น การใช้  Computed Tomography (CT) Scan ในการตรวจสอบโครงสร้างรากโดยไม่ต้องขุดรากจากวัสดุปลูก การใช้แสงเลเซอร์ช่วยในการตัดรากเพื่อใช้ในการตรวจสอบลักษณะทางกายวิภาค (Laser ablation และ Laser Capture Microdissection) การพัฒนาโปรแกรมคอมพิวเตอร์เพื่อช่วยวิเคราะห์ลักษณะรากจากรูปภาพ เช่น โปรแกรม RootScan และ WinRhizo เป็นต้น ด้วยเทคโนโลยีที่กล่าวมาข้างต้นประกอบกับ เทคโนโลยีถอดรหัสดีเอ็นเอที่รวดเร็วและมีราคาถูกลง ทำให้โอกาสในการการค้นพบยีนควบคุมลักษณะของรากมีความเป็นไปได้สูงขึ้นอีกด้วย สำหรับการศึกษาวิจัยระบบรากในประเทศไทยนั้นยังมีอยู่น้อย คณะวิจัยจากภาควิชาชีววิทยา คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยมหิดล เล็งเห็นความสำคัญของความรากพืชและได้มีการริเริ่มศึกษาระบบรากของพืชเศรษฐกิจชนิดพันธุ์ไทย เช่น ข้าว ข้าวโพด และอ้อย โดยทางคณะวิจัยมีจุดมุ่งหมายที่สร้างฐานข้อมูลทางด้านรากพืช และให้ความรู้แก่เกษตรกร เจ้าหน้าที่และผู้ที่สนใจเพื่อใช้เป็นแนวทางในการพัฒนาปรับปรุงพันธุ์พืชในประเทศไทยในอนาคต

บรรณานุกรม

Burton, A. L., Williams, M., Lynch, J. P., & Brown, K. M. (2012). RootScan: Software for high-throughput analysis of root anatomical traits. Plant and Soil, 357, 189–203.

Foley, J. a, Ramankutty, N., Brauman, K. a, Cassidy, E. S., Gerber, J. S., Johnston, M., … Zaks, D. P. M. (2011). Solutions for a cultivated planet. Nature, 478(7369), 337–42. doi:10.1038/nature10452

Lynch, J. P. (2007a). Rhizoeconomics: The roots of shoot growth limitations. HortScience, 42(5), 1107–1109.

Lynch, J. P. (2007b). Roots of the second green revolution. Australian Journal of Botany, 55, 493–512.

Lynch, J. P. (2013). Steep, cheap and deep: an ideotype to optimize water and N acquisition by maize root systems. Annals of Botany, 112(2), 347–357.

Sutton, M. A., Oenema, O., Erisman, J. W., Leip, A., van Grinsven, H., & Winiwarter, W. (2011). Too much of a good thing. Nature, 472, 159–161.

Tilman, D., Cassman, K. G., Matson, P. A., Naylor, R., & Polasky, S. (2002). Agricultural sustainability and intensive production practices. Nature, 418, 671–677.

Trachsel, S., Kaeppler, S. M., Brown, K. M., & Lynch, J. P. (2011). Shovelomics : high throughput phenotyping of maize ( Zea mays L .) root architecture in the field. Plant and Soil, 314, 75–87.

P3ดร. ปฐมพงษ์ แสงวิไล
ภาควิชาชีววิทยา คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยมหิดล
อีเมลล์: patompong.sae@mahidol.ac.th