ผลกระทบของการเปลี่ยนแปลงภูมิอากาศโลกกับสิ่งแวดล้อม
มีผลกระทบต่อผลผลิตของข้าวไทยและประเทศในลุ่มแม่น้ำโขงตอนล่าง

ในสภาวะที่การเปลี่ยนแปลงทางภูมิอากาศ และภูมิประเทศเกิดขึ้นอย่างรวดเร็วและรุนแรง ได้มีการคาดการณ์ถึงผลกระทบต่อการเกษตรของไทยและประเทศเพื่อนบ้านในเขตลุ่มแม่น้ำโขงว่า จะมีผลกระทบอย่างกว้างขวางในหลาย ๆ ด้าน เช่น ความสมบูรณ์พันธุ์และผลผลิตทางการเกษตร การระบาดของแมลงศัตรูพืชอย่างรุนแรงจากการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิและสมดุลธรรมชาติที่เสื่อมโทรม การเกิดน้ำท่วมหรือแห้งแล้งอย่างฉับพลัน ตัวอย่างที่เห็นได้ชัดคือ สภาวะโลกร้อนในปัจจุบันได้เริ่มส่งผลกระทบต่อผลผลิตทางการเกษตรแล้ว โดยใช้ข้อมูลอากาศระหว่างปี 1979-2003 ของสถาบันวิจัยข้าวนานาชาติ โดยใช้simulation program พบว่า อุณหภูมิเฉลี่ยจากสูงสุดกับต่ำสุดประจำปี เพิ่มขึ้น0.35°C และ 1.13°C ตามลำดับ และผลผลิตเฉลี่ยข้าวลดลง10เท่าทุกๆอุณหภูมิ1°Cที่อุณหภูมิต่ำสุด(อุณหภูมิกลางคืน)เพิ่มขึ้นในฤดูนาปรัง ในขณะที่อุณหภูมิเฉลี่ยสูงสุดกลับไม่สำคัญในช่วงเวลาที่ผ่านมา (Peng et al., 2004) แต่อย่างไรก็ตามสภาวะโลกร้อนที่จะเกิดขึ้นในอนาคตค่าเฉลี่ยอุณหภูมิสูงสุดที่กำลังจะทะลุ 42°C ซึ่งก็จะกระทบกับพัฒนาการของข้าวโดยเฉพาะระยะผสมเกสรและพัฒนาเมล็ด และจะส่งผลกระทบอย่างรุนแรงมากในทศวรรษหน้า คือ เมื่ออุณหภูมิได้พุ่งทะยานขึ้นกว่า 45 องศาเซลเซียส ซึ่งจะส่งผลกระทบที่เห็นได้ในระยะอันใกล้นี้ คือปัญหาการผสมเกสรในช่วงฤดูร้อน และ/หรือปัญหาการสะสมน้ำหนักแห้งและคุณภาพเมล็ดภายใต้อุณหภูมิสูงเฉียบพลัน นอกจากนี้อุณหภูมิโลกที่สูงขึ้นจะส่งผลโดยตรงต่อการเติบโตและการกระจายขยายพันธุ์ของแมลงศัตรูพืชให้มีประชากรเพิ่มขึ้นได้อย่างรวดเร็ว อุณหภูมิสูงยังส่งผลให้การกระจายของโรคพืชเกิดได้ดีขึ้นด้วยเช่นกัน ด้วยเหตุนี้ การปรับปรุงพันธุ์พืชในปัจจุบันจึงจำเป็นต้องรวบยอดยีนที่ควบคุมความต้านทานต่อโรค-แมลงและความทนทานต่อการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศแบบฉับพลันเข้าไว้ในจีโนมของพืชพันธุ์ใหม่ให้ได้

ความท้าทาย

ความสำเร็จของการปรับปรุงพันธุ์ย่อมขึ้นอยู่กับความสามารถในการค้นหาความหลากหลายของพันธุกรรมที่มีอยู่ การผสมข้ามสายพันธุ์และการคัดเลือกที่มีประสิทธิภาพสูง ในสภาวะโลกร้อนที่การเปลี่ยนแปลงทางภูมิอากาศและภูมิประเทศจะเกิดขึ้นอย่างรวดเร็วและรุนแรง เป็นที่คาดการณ์ว่าพันธุ์พืช/สัตว์ที่ได้รับการปรับปรุงพันธุ์ในปัจจุบันกำลังถูกท้าทายอย่างหนัก ว่าจะมีความสมบูรณ์พันธุ์ดังเดิมหรือไม่ หากมองย้อนกลับไปสู่ยุคโบราณจะพบว่า การเปลี่ยนแปลงผิวโลกและบรรยากาศได้เกิดขึ้นหลายครั้ง จึงมีความเป็นไปได้ว่า พืช/สัตว์ตามธรรมชาติที่มีอยู่ในปัจจุบันอาจจะยังคงรักษายีนต้านทานเหล่านี้อยู่ ดังนั้นการค้นหาความหลากหลายทางชีวภาพที่ซ่อนอยู่ในจีโนมโดยเฉพาะในพันธุ์ป่า (wild type) น่าจะเป็นเป้าหมายแรกที่นักปรับปรุงพันธุ์จะต้องดำเนินการ การใช้ประโยชน์จาก Functional Genomics (FG) ซึ่งเป็นศาสตร์ที่มุ่งเน้นการหาความหลากหลายและหน้าที่ของยีนในระดับจีโนม (ในสิ่งมีชีวิตชั้นสูงจะมียีนอยู่ประมาณ 30,000 ชนิด) เป็นวิธีการที่ได้รับการยอมรับในปัจจุบัน นักปรับปรุงพันธุ์อาจใช้ FG ในการเปิดเผยให้เห็นถึงยีนที่แสดงออกที่อับละอองเรณู จนสามารถแก้ไขความเป็นหมันที่อุณหภูมิสูงได้ ยีนอื่น ๆ ที่มีความสำคัญเช่น ยีนที่ควบคุมการสะสมน้ำตาลและแป้งที่ทนต่ออุณหภูมิสูงได้ ยีนที่ควบคุมการสร้าง heat shock protein (HSP) หรือโปรตีนที่สร้างขึ้นเมื่อสิ่งมีชีวิตประสบกับสภาพอุณหภูมิวิกฤติ นักปรับปรุงพันธุ์จะต้องให้ความสนใจกับความหลากหลาย การทำงานและบทบาทของยีนแต่ละชนิดเหล่านี้ นอกจากนี้การปรับปรุงพันธุ์พืชยังคงต้องรวบยอดเอายีนที่ทนทานต่อการระบาดของแมลงและโรคที่ทนร้อนเข้าไว้ในจีโนมของพืชพันธุ์ใหม่ด้วย

จุดวิกฤติที่ท้าทายที่สุดคือผลกระทบของอุณหภูมิสูงต่อประสิทธิภาพการสังเคราะห์แสงของพืช เนื่องจากกลไกการสังเคราะห์แสงมีความอ่อนไหวต่ออุณหภูมิสูงเป็นอย่างมาก โดยเฉพาะในกลุ่มพืชที่เรียกว่า C3 ซึ่งมักจะเกิดกระบวนการยับยั้งด้วยแสง (photoinhibition) และการหายใจตอนกลางวันหรือการหายใจเชิงแสง (photorespiration) ได้ดีในสภาพอุณหภูมิสูงและแสงแดดจัด ซึ่งจะทำให้ผลผลิตของพืช C3 ถูกกระทบอย่างหนัก ในการปรับปรุงประสิทธิภาพการสังเคราะห์แสงนี้นักวิทยาศาสตร์อาจจำเป็นต้องใช้ความพยายามในการทำการดัดแปลง (re-engineer) กลไกการสังเคราะห์แสงแบบ C3 ทั้งหมด และเนื่องจากข้าวเป็นพืช C3 จึงน่าที่จะได้รับผลกระทบจากอุณหภูมิสูงอย่างแน่นอน นักวิทยาศาสตร์กำลังพยายามคิดค้นยีนที่ช่วยแก้ไขการเกิด photo-oxidation (หรือ photoinhibition) และเพื่อเพิ่ม CO2 compensation point ให้สูงขึ้น โดยการเพิ่มสมรรถนะของ antioxidation ที่เยื่อหุ้มไธลาคอยด์ (thylakoid membrane) พร้อมกับดัดแปลง (re-engineer) โปรตีน ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/ oxygenase (RubisCO) ให้มีความจำเพาะ (affinity) ต่อ CO2 ให้มากขึ้น นอกจากนี้ยังมีโครงการขนาดใหญ่อีกโครงการหนึ่ง คือการศึกษาวิวัฒนาการจากพืช C3 เป็น C4 หรือ C4 เป็น C3 ทั้งหมดนี้เพื่อว่าสักวันหนึ่งข้าวจะสามารถรักษาระดับการสังเคราะห์แสงได้ดีแม้ที่อุณหภูมิ 45 องศาเซลเซียสโดยไม่ต้องใช้น้ำมากมายอีกต่อไป

การปลดปล่อยก๊าซเรือนกระจก มีเทน (methane) จากนาข้าวเป็นเรื่องที่ทั่วโลกได้รับรู้และกำลังเป็นอุปสรรคที่สำคัญอันหนึ่งของการส่งออกข้าวของไทย พม่า และเวียดนามสู่ตลาดโลก เพราะอาจก่อให้เกิดข้อขัดขวางทางเทคนิค (technical barrier) ที่จะเป็นอุปสรรคในการส่งออกข้าวของไทย หากพิจารณาในมุมมองของสิ่งแวดล้อมในการปลูกข้าว การปล่อยให้น้ำท่วมขังนาเป็นระยะเวลานานเป็นสาเหตุที่ทำให้มีการสะสมและปลดปล่อยก๊าซเรือนกระจก มีเทน ออกมาจากดินผ่านต้นข้าว ปัจจุบันนักเกษตรได้หันมาสนใจการควบคุมการท่วมขังของดินนา โดยสลับกับการปล่อยน้ำให้นาแห้ง วิธีการดังกล่าวจะทำให้การปลดปล่อยก๊าซมีเทนน้อยลง ซึ่งสอดคล้องกับระบบการปลูกข้าวแบบ aerobic rice (SRI=System of Rice Intensification) แต่อย่างไรก็ตาม หากจัดการปุ๋ย N ไม่ดีพอก็จะทำให้เกิดการปลดปล่อย nitrous oxide ซึ่งเป็นก๊าซเรือนกระจกที่สำคัญเพิ่มขึ้นแทน ดังนั้นการค้นหาความสมดุลจึงเป็นประเด็นที่ต้องการคำตอบและการปรับปรุงพันธุ์ข้าวให้ปรับตัวเข้ากับสภาพการใช้น้ำน้อยแบบ aerobic rice ก็จะเป็นกุญแจสำคัญของการแก้ไขปัญหาเหล่านี้

ประเทศไทย เวียดนาม พม่า กัมพูชา และลาว คืออู่ข้าวของโลก ไทยและเวียดนามส่งออกข้าวเลี้ยงประชากรโลกปีละกว่า 15 ล้านตัน พม่าซึ่งเคยเป็นผู้ส่งออกข้าวอันดับหนึ่งของโลกก่อนไทยจะชิงตำแหน่งนี้ไป ก็เริ่มกลับฟื้นตัวผลิตข้าวได้มากขึ้นจนใกล้ส่งออกข้าวได้แล้วรวมทั้งกัมพูชาด้วย สภาวะโลกร้อนในเขตลุ่มแม่น้ำโขงตอนล่างนี้ได้เริ่มเกิดขึ้นอย่างรุนแรง เช่น มหาอุทกภัยที่เกิดขึ้นในพม่า ไทย กัมพูชา ลาว และเวียดนาม ย่อมเป็นที่ประจักษ์แล้วว่า ได้ส่งผลกระทบต่อการผลิตอาหารของโลกอย่างชัดเจน ดังนั้นเราจึงควรที่จะเริ่มวางแผนพัฒนาพันธุ์ข้าวให้ทนทานและเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมเพื่อลดอัตราเสี่ยงจากการเปลี่ยนแปลงของสภาพภูมิอากาศโลกในอู่ข้าวของโลกให้ได้

ระบบการสังเคราะห์แสงของพืชบนโลกนี้สามารถแบ่งออกได้เป็นสามกลุ่มหลัก ๆ คือ ระบบการสังเคราะห์แสงแบบ C3 แบบ C4 และแบบ CAM ซึ่งพืชที่ใช้ระบบการสังเคราะห์แสงแต่ละแบบจะถูกเรียกว่า พืช C3 พืช C4 และพืช CAM ตามลำดับ ประชากรพืชส่วนใหญ่ของโลกจะเป็นพืช C3 รวมทั้งพืชที่ใช้เป็นพืชอาหารหลักเช่นข้าว ข้าวสาลี มันฝรั่ง ถั่วต่าง ๆ แต่ก็ยังมีพืชอาหารหลักบางชนิดเป็นพืช C4 เช่นข้าวโพด ข้าวฟ่าง อ้อย โดยทั่วไปพืช C4 จะให้ผลผลิตเฉลี่ยและมีประสิทธิภาพของการใช้น้ำและธาตุอาหาร (N) ได้ดีกว่าพืช C3 ดังนั้นจึงได้มีการเสนอแนะว่า ควรที่จะมีการปรับปรุงพันธุ์พืชเพื่อผสมผสานกลไกของพืช C4 บางส่วนเข้าไปยังพืช C3 เพื่อที่จะทำให้พืช C3 สามารถสร้างผลผลิตได้สูงขึ้น วิธีการนี้จะประสบความสำเร็จได้นั้นจะต้องทราบถึงพันธุกรรมที่ควบคุมวัฏจักร C4 (C4 pathway) เป็นอย่างดี ซึ่งหมายความว่านักวิจัยจะต้องมุ่งเน้นในการวิจัยที่เข้าใจถึงการแสดงออกของยีนที่ควบคุมอยู่ในวัฏจักร C4 จึงจะทำให้สามารถเข้าใจถึงกระบวนการสังเคราะห์แสงแบบ C4 ได้อย่างลึกซึ้งยิ่งขึ้น