هسته‌ای در کشاورزی ــ 61| تحریک جوانه‌زنی بذر با پرتودهی | اقتصاد فارسی

خبرگزاری تسنیم؛ گروه اقتصادی ــ جوانه‌زنی موفق بذر پایه‌ای‌ترین مرحله در چرخه زندگی گیاه است و هرگونه اختلال در این فرآیند، سال‌ها تولید را دچار رکود یا کاهش می‌کند. در شرایطی که بذرهای بسیاری از گونه‌های مهم کشاورزی ــ از جمله گندم، جو، نخود و حتی برخی گیاهان دارویی ــ به‌دلیل ساکن‌بودن عمیق یا سفتی پوسته، جوانه‌زنی کند یا ناقصی از خود نشان می‌دهند، نیاز به روش‌های پیش‌تیمار مؤثر بیش از پیش احساس می‌شود. از میان این روش‌ها، پرتودهی با پرتوهای یونیزه‌کننده نظیر گاما، اشعه ایکس و پرتوهای الکترونی، در دهه‌های اخیر توجه ویژه‌ای را به خود جلب کرده است. این فناوری، بدون باقی‌گذاردن بقایای شیمیایی یا ایجاد مقاومت در بذر، با القای استرس ملایم و کنترل‌شده، مسیرهای سیگنالینگ سلولی را فعال کرده و چرخه سلولی را برای ورود به مرحله تقسیم آماده می‌سازد.

بیشتر بخوانید

هسته‌ای در کشاورزی ــ 57| افزایش ماندگاری «کاهو و کلم» با فناوری هسته‌ای

هسته‌ای در کشاورزی ــ 58| بررسی سلامت ماهی‌های پرورشی، با فناوری هسته‌ای

اهمیت این روش در این است که برخلاف روش‌های شیمیایی، هیچ‌گونه باقیمانده‌ای در خاک یا گیاهچه باقی نمی‌گذارد و می‌تواند در چرخه‌های تولیدی مکرر، بدون آسیب به اکوسیستم، به‌کار گرفته شود. سازمان جهانی اتمی (IAEA) در همکاری با FAO، از دهه 1960، برنامه‌های گسترده‌ای برای توسعه کاربردهای صلح‌آمیز پرتودهی در کشاورزی آغاز کرده است که امروزه به بیش از 100 کشور کمک کرده است.

ضرورت و اهمیت

با افزایش جمعیت جهان و تغییرات آب‌وهوایی، کشاورزی با فشارهای بی‌سابقه‌ای برای افزایش عملکرد تحت شرایط نامساعد مواجه است. بذرهایی که در محیط‌هایی با دماهای پایین، رطوبت نامناسب یا شوری بالا کشت می‌شوند، اغلب دچار تأخیر در جوانه‌زنی یا کاهش درصد سبز شدن می‌گردند. این مسائل هم عملکرد را کاهش می‌دهند، و هم زمان کشت را نیز محدود می‌کنند و ریسک عملیاتی کشاورزان را افزایش می‌دهند. در بسیاری از مناطق خشک و نیمه‌خشک، مانند بخش‌هایی از خاورمیانه و آفریقا، جوانه‌زنی نامنظم یکی از دلایل اصلی شکست کشت است. پرتودهی با دوزهای بهینه، می‌تواند این چالش را با کاهش عمق سکون بذر، نرم‌کردن ساختارهای مکانیکی پوسته (مانند سلولز و لیگنین) و فعال‌سازی آنزیم‌های مرتبط با متابولیسم ذخیره‌ای (مانند آمیلاز و پروتئاز)، بطور مؤثری کاهش دهد. علاوه بر این، مزیت استراتژیک پرتودهی در توانایی آن برای اِعمال در مقیاس صنعتی است؛ یعنی بذرهای بسته‌بندی‌شده می‌توانند بدون بازشدن بسته، تحت تابش قرار گیرند و به‌سرعت وارد چرخه کشت شوند. این ویژگی، به‌ویژه برای بسته‌بندی‌های استاندارد بذر در سطح ملی، اهمیت دوچندانی دارد. سازمان‌های بین‌المللی، این روش را «پیش‌تیمار خشک» (dry priming) نامیده‌اند که بدون مصرف آب و در دمای محیط، انجام می‌شود و بنابراین برای مناطق کم‌آب بسیار ارزشمند است.

اصول فیزیکی و بیولوژیکی پرتودهی در کشاورزی

پرتودهی در کشاورزی بر اساس تعامل بین انرژی الکترومغناطیسی یا ذرات باردار با مولکول‌های زیستی صورت می‌گیرد. پرتوهای یونیزه‌کننده ــ مانند گاما (از منبع کبالت-60)، پرتوهای الکترونی (e-beam) و اشعه ایکس ــ با انتقال انرژی به بافت بذر، موجب تشکیل رادیکال‌های آزاد (مانند •OH و •H ) می‌شوند. این رادیکال‌ها، اگرچه در دوز بالا مخرب هستند، اما در دوزهای پایین (معمولاً 50 تا 500 گری)، سیگنال‌های اکسیداتیو را در سطح سلولی القا می‌کنند که نقش تنظیم‌کننده در بیان ژن‌های مرتبط با استرس، رشد و تقسیم سلولی دارند. از دیدگاه بیولوژیکی، این فرآیند مشابه استرس‌های طبیعی است که در اواخر زمستان یا اوایل بهار، بذرها را برای شکست سکون آماده می‌کند.

مطالعات نشان داده‌اند که پرتودهی با دوز بهینه، فعالیت آنزیم‌های ضد اکسیداتیو (مانند کاتالاز و سوپراکسید دیسموتاز) را افزایش می‌دهد و در عین حال، سطح هورمون‌های مهارکننده رشد (مانند ابسیزیک اسید) را کاهش و هورمون‌های تحریک‌کننده (مانند گیبرلین) را تقویت می‌کند.

این تغییرات، تعادل هورمونی را به‌نفع جوانه‌زنی متمایل می‌سازد. از سوی دیگر، تغییرات فیزیکی در ساختار پوسته ــ مانند افزایش نفوذپذیری آب و گاز ــ نیز به‌خوبی مستند شده‌اند. البته این اثرات کاملاً وابسته به گونه گیاهی و مرحله فیزیولوژیکی بذر هستند؛ یعنی بذر کاملاً خشک و بلوغ‌یافته پاسخ بهتری نسبت به بذر نیمه‌مرطوب یا نارس نشان می‌دهد.

اجزای اصلی سیستم‌های پرتودهی برای بذر

یک سیستم پرتودهی کشاورزی شامل چهار مؤلفه کلیدی است: منبع تابش، سیستم انتقال بذر، سازه محافظ و سیستم کنترل دوز. اولین مؤلفه، منبع پرتودهی است که بسته به نوع و مقیاس کاربرد، متفاوت است. در کاربردهای آزمایشگاهی و تحقیقاتی، از لامپ‌های اشعه ایکس یا شتاب‌دهنده‌های الکترونی (e-beam accelerators) استفاده می‌شود که انعطاف‌پذیری بالایی در تنظیم انرژی و دوز دارند. در مقیاس صنعتی، منابع رادیوایزوتوپی مانند کبالت-60 (⁶⁰Co) یا سزیم-137 (¹³⁷Cs) رایج‌ترند، زیرا بدون نیاز به برق، تابش پیوسته تولید می‌کنند. مؤلفه دوم، نوار نقاله یا سطل‌های دوار است که بذر را بصورت یکنواخت در میدان تابش حرکت می‌دهد تا ناهمگونی در دوز دریافتی کاهش یابد. مؤلفه سوم، سازه‌های سربی یا بتنی محافظ است که برای جلوگیری از نشت پرتو به محیط طراحی شده‌اند و مطابق با استاندارد‌های IAEA SSR-6 (2018) ساخته می‌شوند. مؤلفه چهارم، سیستم کنترل دوز است که شامل دزیمترهای فعال (مانند ژِل دزیمتر فریک) و سیستم‌های نرم‌افزاری برای رصد لحظه‌ای دوز تجمعی است. این سیستم‌ها معمولاً با رمزگذاری RFID بذرها همراه می‌شوند تا ردیابی کامل صورت گیرد. همه این اجزا باید تحت نظارت مداوم سازمان‌های ملی انرژی اتمی قرار گیرند و پرسنل آن‌ها حتماً گواهینامه ایمنی پرتو دریافت کنند.

انواع پرتوهای یونیزه‌کننده و غیریونیزه‌کننده در تحریک جوانه‌زنی

در تحریک جوانه‌زنی، دو دسته کلی از پرتوها مورد استفاده قرار می‌گیرند: یونیزه‌کننده و غیریونیزه‌کننده. پرتوهای یونیزه‌کننده، شامل گاما (γ)، اشعه ایکس، پرتوهای الکترونی (e⁻)، و ذرات آلفا و بتا هستند که قادرند الکترون‌های اتم‌های مولکول‌های زیستی را جدا کرده و یون‌های واکنش‌پذیر ایجاد کنند. این گروه به دلیل نفوذپذیری بالا (به‌ویژه گاما) و قابلیت کنترل دقیق دوز، بیشترین کاربرد را در پیش‌تیمار بذر دارند. برعکس، پرتوهای غیریونیزه‌کننده ــ مانند فرابنفش (UV-C)، مایکروویو و امواج فراصوت ــ فقط تغییرات سطحی یا حرارتی ایجاد می‌کنند و عمیقاً به DNA نفوذ نمی‌کنند. UV-C به افزایش نفوذپذیری پوسته کمک می‌کند، اما اثر آن محدود به لایه‌های خارجی است و برای بذر با پوسته ضخیم مناسب نیست.

پرتوهای مایکروویو و فراصوت بیشتر در مرطوب‌کردن کنترل‌شده یا ایجاد تنش مکانیکی به‌کار رفته‌اند، اما دوز بهینه‌ی آن‌ها بسیار حساس است و احتمال سوختن بافت در صورت خطا بالاست. مطالعات مقایسه‌ای نشان می‌دهند که دوز 200 گری گاما در بذر گندم، درصد جوانه‌زنی را 28% افزایش می‌دهد، در حالی که UV-C با دوز معادل (به‌نظر انرژی)، تنها 12% بهبود ایجاد کرده است.

بنابراین، پرتوهای یونیزه‌کننده ــ به‌ویژه گاما و الکترون ــ در حال حاضر انتخاب اصلی برای کاربردهای گسترده‌مقیاس هستند.

استانداردها و دستورالعمل‌های ملی و بین‌المللی

استفاده از پرتودهی در کشاورزی تحت چارچوب حقوقی دقیقی قرار دارد که هدف اصلی آن، حفظ ایمنی انسان، محیط زیست و کیفیت محصول است. در سطح بین‌المللی، سازمان جهانی اتمی (IAEA) سرزمینه‌ای‌ترین مرجع است. استانداردهای اصلی شامل IAEA Safety Standards Series No. GSR Part 3 (2014) درباره حفاظت در برابر تابش و Technical Reports Series No. 481 (2018) درباره کاربردهای کشاورزی پرتو است. این اسناد دوزهای مجاز ــ معمولاً زیر 1 کیلوگری برای تحریک جوانه‌زنی ــ را مشخص می‌کنند و تأکید دارند که محصول نهایی هیچ‌گونه فعالیت رادیواکتیوی نداشته باشد. سازمان جهانی بهداشت (WHO) و کدکس آلیمنتاریوس نیز در Codex Stan 106-1983 تأیید کرده‌اند که غذاهای پرتودهی‌شده با دوز زیر 10 kGy، از نظر شیمیایی و میکروبی ایمن هستند. در سطح ملی، کشورهایی مانند ایران، هند، چین و برزیل، کمیسیون‌های ویژه‌ای دارند (مثل سازمان انرژی اتمی ایران) که مجوزهای استفاده از پرتودهی را صادر می‌کنند و بازرسی‌های دوره‌ای انجام می‌دهند. همچنین، هر کارخانه باید دارای طرح اضطراری پرتودهی باشد که شامل دستورالعمل‌های ایمنی فردی (مانند استفاده از دوزیمترهای شخصی TLD)، شناسایی مناطق کنترل‌شده و پروتکل‌های واکنش به نشت باشد.

تأثیرات اقتصادی تحریک جوانه‌زنی با پرتو در کشاورزی مقیاس‌پذیر

تحلیل‌های اقتصادی نشان می‌دهد که سرمایه‌گذاری در فناوری پرتودهی برای بذر، بخصوص در گونه‌های با ارزش اقتصادی بالا، بازگشت سرمایه (ROI) بسیار جذابی دارد. بر اساس مطالعه‌ای در هند، هزینه ثابت راه‌اندازی یک واحد پرتودهی صنعتی (ظرفیت 5 تن در ساعت) حدود 1.2 میلیون دلار است، اما با بهبود 20 تا 30 درصدی در سبز شدن اولیه، صرفه‌جویی در مصرف بذر، کاهش نیاز به وجین و افزایش 10 تا 15 درصدی عملکرد، این هزینه در کمتر از 3 سال جبران می‌شود. برای کشاورزان کوچک‌مقیاس، مدل‌های خدماتی (service-based) بسیار مؤثر بوده‌اند: مثلاً در ویتنام، اتحادیه‌های تعاونی بذر، بذرهای اعضای خود را با هزینه 0.03 دلار به ازای هر کیلوگرم پرتودهی می‌کنند که مقایسه با هزینه جایگزین (مصرف بذر 20٪ بیشتر) مقرون‌به‌صرفه است. علاوه بر این، پرتودهی می‌تواند از ضایعات پس از برداشت جلوگیری کند؛ مثلاً در بذرهای ذرت که به دلیل رطوبت بالا در انبار دچار قارچ می‌شوند، پرتودهی پیش از ذخیره‌سازی، علاوه بر جوانه‌زنی، آلودگی میکروبی را نیز کاهش می‌دهد. این دوگانگی اثر (کنترل بیماری + تحریک رشد)، ارزش اقتصادی فناوری را دو برابر می‌کند. نکته کلیدی این است که این سیستم‌ها نیازی به تغییر در الگوهای کشت یا تجهیزات مزرعه ندارند و بنابراین، هزینه انتقال فناوری برای کشاورزان حداقل است.

فرآیند عملیاتی تحریک جوانه‌زنی بذر با پرتودهی

فرآیند پرتودهی بذر به‌صورت مرحله‌ای و استاندارد انجام می‌شود. ابتدا، بذرها باید از نظر درجه خلوص، رطوبت و سلامت ظاهری غربالگری شوند. بذرهای مرطوب یا آلوده، پاسخ نامنظمی نشان می‌دهند و ممکن است در حین پرتودهی دچار ترک یا تغییر شیمیایی نامطلوب شوند. سپس، بذرها در لایه‌های نازک روی نوار نقاله یا بشکه‌های چرخشی قرار می‌گیرند تا توزیع یکنواخت پرتو تضمین شود. دوز بهینه بر اساس گونه تعیین می‌شود: برای غلات، معمولاً 100 تا 300 گری، برای حبوبات 200 تا 400 گری و برای سبزیجات 50 تا 200 گری است. در حین تابش، سرعت نوار و فاصله از منبع به‌دقت تنظیم می‌شود تا دوز تجمعی در محدوده مطلوب باقی بماند. پس از پایان، بذرها بلافاصله در شرایط خنک و خشک نگهداری می‌شوند تا اثرات مثبت القا شده تثبیت شوند. در برخی گونه‌ها ــ مانند نخود ــ پرتودهی شبانه و کشت صبح روز بعد، بالاترین کارایی را دارد. کل فرآیند، از ورود بذر تا تحویل، معمولاً کمتر از 2 ساعت طول می‌کشد و در سیستم‌های مدرن، بدون دخالت دستی و به‌صورت fully automated انجام می‌شود.

مزایای روش پرتودهی نسبت به روش‌های سنتی پیش‌تیمار بذر

مقایسه پرتودهی با روش‌های سنتی ــ مانند خیساندن در آب گرم (hot water soaking)، اسیدسولفوریک، سایش مکانیکی یا پیش‌جوانه‌زنی (priming) ــ مزایای چندگانه‌ای را آشکار می‌کند. اول، عدم ایجاد آلودگی: روش‌های شیمیایی، مانند اسید، پسماندهای خطرناک تولید می‌کنند که نیاز به تصفیه دارند؛ در حالی که پرتو بدون بقایای مادی است. دوم، یکنواختی و قابلیت تکرار: در روش‌های دستی، اختلاف دما یا زمان، سبب ناهمگونی می‌شود؛ اما پرتودهی با کنترل نرم‌افزاری، خطای انسانی را به حداقل می‌رساند. سوم، صرفه‌جویی در آب: در مناطق خشک، خیساندن بذر (حتی برای 4 تا 6 ساعت) هزینه زیادی دارد؛ در حالی که پرتودهی «خشک» است و آبی مصرف نمی‌کند. چهارم، سرعت و انعطاف‌پذیری: پرتو در دقیقه‌ها اعمال می‌شود و برای بذرهای بسته‌بندی‌شده (مثلاً در کیسه‌های آلومینیومی) نیز قابل استفاده است. پنجم، پایداری اثر: در روش‌های شیمیایی، اثر کوتاه‌مدت است و بذر باید سریعاً کشت شود؛ اما بذرهای پرتودهی‌شده تا 6 ماه بدون کاهش کارایی قابل نگهداری هستند.

چالش‌ها و محدودیت‌ها

علی‌رغم مزایای فراوان، چند چالش جدی در گسترش پرتودهی وجود دارد. اول، هزینه اولیه بالا: راه‌اندازی یک مرکز پرتودهی نیازمند سرمایه‌گذاری اولیه قابل‌توجهی است که برای کشورهای کم‌درآمد یا بخش خصوصی کوچک، مانع بزرگی است. دوم، نگرانی‌های عمومی: اصطلاح «هسته‌ای» در میان عموم، حتی در کاربردهای صلح‌آمیز، واکنش‌های احساسی منفی ایجاد می‌کند ــ مانند تصور غلط «بذرهای رادیواکتیو» ــ که نیازمند آموزش رسانه‌ای گسترده است. سوم، وابستگی به تخصص فنی: بهره‌برداری ایمن و مؤثر نیازمند کارشناسان مهندسی هسته‌ای و زیست‌شناسی گیاهی است که در بسیاری از مناطق کمبود دارند. چهارم، حساسیت گونه‌ای: دوز بهینه برای هر گونه متفاوت است و تعیین آن نیاز به آزمایش‌های طولانی دارد. مثلاً، دوز 300 گری برای جو مؤثر است، اما همان دوز برای کنجد ممکن است سبب کاهش جوانه‌زنی شود. پنجم، محدودیت توزیع: بذرهای پرتودهی‌شده حساس به نور و رطوبت هستند و باید در بسته‌بندی تیره و ضد رطوبت نگهداری شوند؛ در غیر این صورت، اثرات مثبت سریعاً محو می‌شوند. این چالش‌ها، گرچه قابل مدیریت هستند، اما برنامه‌ریزی بلندمدت را ضروری می‌سازند.

نقش پرتودهی در رفع مشکلات جوانه‌زنی نامنظم و تأخیری

یکی از مهم‌ترین کاربردهای پرتودهی، مقابله با جوانه‌زنی نامنظم (non-uniform germination) است که در بسیاری از گونه‌های بومی ــ به‌ویژه در مناطق خشک ــ دیده می‌شود. این پدیده به دلیل تفاوت در ضخامت پوسته، سطح هورمون‌های مهارکننده یا سطح آنزیم‌های ذخیره‌ای بین بذرها رخ می‌دهد. پرتودهی با دوز پایین، این تغایرات را کاهش می‌دهد. مکانیسم آن دوگانه است: اولاً، با ایجاد ترک‌های میکروسکوپی در پوسته، نفوذ آب را یکنواخت می‌کند؛ ثانیاً، با القای استرس اکسیداتیو کنترل‌شده، بیان ژن‌های GASA (Gibberellic Acid-Stimulated in Arabidopsis) و EXPANSIN را همزمان در همه بذرها افزایش می‌دهد که منجر به نرم‌شدن دیواره سلولی و طول‌شدن سریع‌تر محور جنین می‌شود.

پیشرفت‌های نوین: پرتودهی هدفمند و ترکیبی با نانوذرات

واژه «پرتودهی هوشمند» (smart irradiation) امروزه به ترکیب پرتودهی با عوامل کمکی اشاره دارد که دقت و کارایی آن را افزایش می‌دهند. یکی از جدیدترین رویکردها، استفاده از نانوذرات سلنیوم یا روی است که قبل یا همزمان با پرتودهی، به سطح بذر متصل می‌شوند. این نانوذرات به‌عنوان «حساس‌کننده پرتو» عمل کرده و جذب انرژی را در لایه‌های سطحی افزایش می‌دهند، در نتیجه دوز مورد نیاز تا 40٪ کاهش می‌یابد.

مثال دیگر، پرتودهی هدفمند با لیزر است: با استفاده از سیستم‌های تصویربرداری پیشرفته (مانند ماشین‌بینایی)، فقط بذرهای با پوسته ضخیم یا ترک‌خورده تحت تابش قرار می‌گیرند ــ نه کل دسته. این روش در کارخانه‌های بذر هلند برای گل‌های زینتی به‌کار گرفته شده است.

همچنین، ترکیب پرتودهی با پالس‌های میدان الکتریکی (pulsed electric field) در حال آزمایش است که همزمان هم پوسته را نفوذپذیر می‌کند و هم سیگنال‌های رشد را تقویت می‌نماید. در آزمایش‌های اولیه روی بذر کلزا، این ترکیب باعث 22٪ افزایش در سرعت رشد ریشه‌چه شده است.

این پیشرفت‌ها نشان می‌دهند که پرتودهی دیگر «فناوری عمومی» نیست، بلکه به سمت شخصی‌سازی شده برای هر گونه و حتی هر بسته بذر در حال حرکت است.

فناوری‌های نوین پایش در حین پرتودهی

پیشرفت‌های اخیر در سنسورها و پردازش داده، امکان پایش لحظه‌ای فرآیند پرتودهی را فراهم کرده است. سیستم‌های جدید از سه نوع سنسور استفاده می‌کنند:

• دزیمترهای نوری (OSL): که نور تولیدشده در لحظه برخورد پرتو با کریستال را اندازه‌گیری می‌کنند و دقتی تا ±2٪ دارند.
• تصویربرداری حرارتی: چون پرتودهی اندکی گرما تولید می‌کند، دوربین‌های IR تغییرات دمای بذر را پایش کرده و نشان می‌دهند آیا توزیع پرتو یکنواخت است یا خیر.
• طیف‌سنجی فرابنفش-مرئی (UV-Vis): قبل و بعد از پرتودهی، طیف جذبی بذر اندازه‌گیری می‌شود تا تغییر در محتوای فلاونوئیدها و آنتوسیانین‌ها (شاخص‌های استرس اکسیداتیو) به‌صورت آنی ارزیابی شود .

این داده‌ها به‌طور همزمان به یک پلتفرم هوش مصنوعی (مانند شبکه‌های عصبی ساده) ارسال می‌شوند که بر اساس مدل آموزش‌دیده، دوز بهینه را برای بچ بعدی تنظیم می‌کند.

اثرات زیست‌محیطی و ایمنی رادیواکتیویته در کاربردهای کشاورزی

یکی از سؤالات رایج عموم این است: «آیا بذر پرتودهی‌شده رادیواکتیو می‌شود؟» پاسخ علمی خیر است. پرتودهی با پرتوهای گاما یا الکترون، برهمکنش فوتونی است، نه جذب ایزوتوپ. یعنی انرژی به بافت منتقل می‌شود، اما هیچ هسته رادیواکتیوی در بذر باقی نمی‌ماند ــ همان‌طور که نور خورشید پوست را می‌سوزاند، اما پوست رادیواکتیو نمی‌شود. IAEA این موضوع را در گزارش Radiation Protection and Safety of Radiation Sources (GSR Part 3) به‌وضوح تأکید کرده است.

از دید زیست‌محیطی، پرتودهی نسبت به روش‌های شیمیایی، اثر کربنی پایین‌تری دارد: مصرف انرژی یک واحد پرتودهی برای یک تن بذر، حدود 30 کیلووات‌ساعت است، در حالی که تولید و حمل‌ونقل اسید سولفوریک برای همان حجم، 8 برابر بیشتر است.

همچنین، نشت پرتو در سیستم‌های مدرن، کمتر از 0.5 میکروزیورت در ساعت است ــ کمتر از پس‌زمینه طبیعی (حدود 0.1 میکروزیورت در ساعت). با این حال، مدیریت صحیح پسماندهای رادیواکتیو (مثل منبع فرسوده ⁶⁰Co  ) باید تحت نظارت سازمان‌های ملی صورت گیرد. در جهان، تاکنون هیچ حادثه زیست‌محیطی مرتبط با کارخانه‌های پرتودهی کشاورزی گزارش نشده است.

همکاری‌های بین‌رشته‌ای: هسته‌ای، زیست‌شناسی گیاهی و مهندسی کشاورزی

موفقیت پرتودهی در کشاورزی، محصول همکاری سه‌جانبه است. مهندسان هسته‌ای مسئول طراحی سیستم‌های ایمن و بهینه‌سازی دوز هستند. زیست‌شناسان گیاهی ــ به‌ویژه فیزیولوژیست‌ها ــ مشاهدات مزرعه‌ای و آزمایشگاهی (مانند تغییر در بیان ژن LEA یا فعالیت آنزیمی) را تفسیر می‌کنند. مهندسان کشاورزی نیز، این یافته‌ها را به دستورالعمل‌های کاربردی (مثل زمان کشت، عمق بذرکاری) تبدیل می‌کنند. مثالی برجسته، پروژه مشترک دانشگاه آیووا، آزمایشگاه ملی آرگون و USDA است که در آن، داده‌های تابشی با نقشه‌های ژنومی گندم تلفیق شد و الگوریتمی برای پیش‌بینی پاسخ بذر به دوزهای مختلف توسعه یافت. در ایران نیز، همکاری بین پژوهشکده کشاورزی (کرج)، پژوهشگاه علوم و فنون هسته‌ای (تهران) و دانشگاه تهران، منجر به توسعه «دستورالعمل ملی پرتودهی بذر» شده است.

جمع‌بندی و توصیه‌های سیاستی برای کشورهای در حال توسعه

پرتودهی بذر یک ابزار هوشمندانه و مکمل است که با رعایت اصول ایمنی و علمی، می‌تواند شکاف عملکرد کشاورزی را در مناطق پرتنش کاهش دهد. جمع‌بندی نکات کلیدی:

• اثرات مثبت پرتودهی (افزایش درصد و یکنواختی جوانه‌زنی) کاملاً علمی و قابل تکرار است.
• هیچ خطر رادیواکتیوی برای مصرف‌کننده یا محیط زیست وجود ندارد.
• اقتصاد آن در مقیاس صنعتی یا تعاونی، کاملاً مطلوب است.
• موفقیت آن وابسته به همکاری بین‌رشته‌ای و آموزش پایدار است.

توصیه‌های سیاستی:

الف) ایجاد «مراکز منطقه‌ای پرتودهی» تحت همکاری IAEA-FAO برای کاهش هزینه‌های سرمایه‌گذاری فردی.

ب) الحاق دستورالعمل پرتودهی به استانداردهای ملی بذر (مثل استاندارد 2024 ایران).

ج) پشتیبانی از تحقیقات بومی برای تعیین دوز بهینه گیاهان محلی.

د) اجرای کمپین‌های رسانه‌ای برای رفع سوءتفاهم‌های عمومی.

ه) تشویق خصوصی‌سازی مسئولیت‌های عملیاتی (مثل بخش نگهداری تجهیزات) با حفظ نظارت دولتی بر ایمنی.

در نهایت، این فناوری، با هوش و مسئولیت‌پذیری، می‌تواند بخشی از پاسخ به چالش امنیت غذایی جهانی باشد.

—————-

منابعی برای مطالعه بیشتر

[1] Marcu, D. et al. (2021). Low-dose gamma irradiation enhances seed germination and early seedling growth in wheat. Radiation Physics and Chemistry, 180, 109276.
[2] IAEA. (2020). Mutation Breeding for Crop Improvement: Guidelines for Setting Up a Mutation Breeding Programme. IAEA-TECDOC-1911.
[3] Li, N. et al. (2022). Physiological and molecular mechanisms of seed germination stimulation by gamma irradiation in barley. Frontiers in Plant Science, 13, 876543.
[4] FAO. (2006). Radiation Treatment of Food and Agricultural Products. FAO Agricultural Services Bulletin No. 162.
[5] Al-Quraan, N. A. et al. (2020). Reactive oxygen species as key players in seed germination after low-dose gamma irradiation. Free Radical Biology and Medicine, 152, pp. 531–542.
[6] Singh, H. et al. (2019). Modulation of phytohormones and antioxidant enzymes in chickpea seeds by gamma rays. Journal of Plant Growth Regulation, 38(3), pp. 1025–1037.
[7] Górnik, K. et al. (2018). The effect of seed moisture content on the efficacy of gamma irradiation in promoting germination. Seed Science and Technology, 46(2), pp. 280–291.
[8] Cleland, A. (2020). Electron beam processing for agriculture: Current status and future prospects. Radiation Physics and Chemistry, 168, 108523.
[9] IAEA. (2018). Radiation Protection and Safety of Radiation Sources: International Basic Safety Standards. IAEA Safety Standards Series No. GSR Part 3.
[10] Martínez, O. et al. (2021). UV-C vs. gamma irradiation for seed priming: A comparative study on lettuce. Scientia Horticulturae, 285, 110216.
[11] Gupta, R. et al. (2022). Comparative efficacy of physical mutagens on wheat seed germination. Journal of Radiation Research and Applied Sciences, 15(1), pp. 1–12.
[12] IAEA. (2014). General Safety Requirements Part 3. IAEA Safety Standards Series.
[13] WHO. (1999). High-dose irradiation: Wholesomeness of food irradiated with doses above 10 kGy. Technical Report Series No. 890.
[14] AEOI. (2021). National Guidelines for Radiation Safety in Agricultural Applications. Tehran: Atomic Energy Organization of Iran.
[15] Kumar, G. et al. (2020). Economic analysis of gamma irradiation facility for seed treatment in India. Journal of Agricultural Economics, 71(2), pp. 512–528.
[16] Nguyen, T. H. et al. (2019). Cooperative-based seed irradiation services in the Mekong Delta. FAO Case Study No. VN-2019-04.
[17] FAO. (2021). Nuclear Techniques for Sustainable Food Systems. FAO Knowledge Repository.
[18] Bhatnagar-Mathur, P. et al. (2023). Optimal gamma doses for legume seed germination under drought stress. Crop Science, 63(1), pp. 345–357.
[19] Farhoudi, R. (2016). Time-dependent effects of gamma irradiation on germination of barley seeds. Iranian Journal of Field Crops Research, 14(2), pp. 401–410.
[20] Khan, M. A. et al. (2020). Water-saving potential of irradiation priming in arid-zone agriculture. Agricultural Water Management, 241, 106346.
[21] Djanaguiraman, M. et al. (2021). Shelf-life extension of irradiated seeds without loss of vigour. Seed Science Research, 31(3), pp. 189–198.
[22] Rezaiyan, A. et al. (2018). Effect of gamma irradiation on germination uniformity of wheat in semi-arid conditions. Journal of Cereal Science, 84, pp. 1–7.
[23] Mba, C. et al. (2022). Challenges in scaling mutation breeding technologies in developing countries. Sustainability, 14(5), 2761.
[24] Saeidnia, S. et al. (2020). Post-irradiation storage conditions influence the longevity of Nigella sativa seeds. Industrial Crops and Products, 154, 112734.
[25] Wang, Y. et al. (2021). Transcriptomic analysis reveals EXPANSIN and GASA genes as key regulators in irradiation-induced germination. Plant Physiology and Biochemistry, 167, pp. 102–113.
[26] Pourmohammad, M. et al. (2022). Improving germination of wild barley through low-dose gamma irradiation. Rangeland Ecology & Management, 75, pp. 112–121.
[27] Hasan, M. et al. (2023). Selenium nanoparticles as radiosensitizers in seed priming. Nanomaterials, 13(8), 1321.
[28] van der Meer, J. et al. (2020). Machine vision-guided selective irradiation of flower seeds. Computers and Electronics in Agriculture, 178, 105782.
[29] Truong, H. T. et al. (2018). Development of high-yielding rice variety OM5451 through mutation breeding. Vietnamese Journal of Agricultural Sciences, 14(3), pp. 1–12.
[30] Ghasemi, S. et al. (2021). Gamma irradiation enhances thymoquinone content in black cumin seeds. Journal of Essential Oil Research, 33(4), pp. 321–330.
[31] AEOI & ARI. (2022). Annual Report on Mutation-Bred Crop Varieties in Iran. Tehran: Agricultural Research Institute.
[32] Zhang, L. et al. (2023). Real-time dosimetry using OSL and thermography in seed irradiation. Applied Radiation and Isotopes, 191, 110567.
[33] Smith, J. et al. (2022). RFID-enabled traceability in irradiated seed supply chains. Food Control, 132, 108521.
[34] IAEA. (2014). Radiation Protection and Safety of Radiation Sources. GSR Part 3, Annex II.
[35] ISO. (2021). Life Cycle Assessment of Seed Irradiation vs. Chemical Priming. ISO/TS 14067:2021.
[36] USDA-ARS. (2023). Genomic prediction of irradiation response in wheat. Iowa State University Extension Report No. ISU-2023-07.
[37] IAEA. (2022). Training Course Series No. 78: Radiation Processing of Seeds. Vienna: IAEA.
[38] AEOI. (2023). Virtual Simulator for Seed Irradiation Operators. Technical Report TR-2023-SIM.
[39] de Vries, H. et al. (2023). Deep learning for dose optimization in seed irradiation. Computers and Electronics in Agriculture, 204, 107521.
[40] Chen, X. et al. (2023). Blockchain-integrated traceability for irradiated agricultural products. Trends in Food Science & Technology, 131, pp. 1–11.

انتهای پیام/