Projekt Integrated Production and Automation Systems for Temperate Fruit Plants realizowany w Stacji Badawczej Owoców w Appalachach Departamentu Rolnictwa Stanów Zjednoczonych składa się z pięciu zespołów badawczych posiadających wiedzę specjalistyczną w dziedzinie entomologii, inżynierii komputerowej, ogrodnictwa, gleboznawstwa i patologii roślin. Celem naszego multidyscyplinarnego projektu jest umożliwienie hodowcom zwiększenia zarówno zrównoważonego rozwoju ekologicznego, jak i konkurencyjności ekonomicznej w nowoczesnych systemach produkcji owoców.

Pierwszy zespół, kierowany przez Tracy Leskey, prowadzi badania, opracowując skuteczne narzędzia monitorowania i strategie zarządzania inwazyjnymi i trwałymi rodzimymi szkodnikami owadzimi w produkcji owoców w klimacie umiarkowanym. Projekt rozwijający taktykę zintegrowanej ochrony przed szkodnikami brunatnomarmurkowatymi (BMSB), Halyomorpha halys, trwa już ponad dekadę i obejmuje współpracę ogólnokrajową i międzynarodową. W 2012 roku odkryto wytwarzany przez mężczyzn BMSB feromon i synergetyk feromonów, co doprowadziło do opracowania pułapek monitorujących z przynętą feromonową. Pułapki te kierują decyzjami dotyczącymi zarządzania w oparciu o próg schwytanych osobników dorosłych i zmniejszyły roczne nakłady oprysków o ponad 40 procent. Badając rozprzestrzenianie się krajobrazu BMSB i zachowania żywieniowe, Leskey i współpracownicy opracowali strategię przyciągania i zabijania. Wysokie liczby BMSB są przyciągane do wybranych drzew granicznych z przynętą H. halys feromon i środek zabijający, co zmniejsza zapotrzebowanie na insektycydy o ponad 70 procent.

Bieżące badania zespołu Leskey obejmują badania podstawowe i stosowane nad nowo inwazyjną latarnią plamistą (SLF), Lycorma delicatula. Badania szklarniowe i terenowe wykazały, że chociaż inwazyjne drzewo nieba, Ailanthus altissimajest preferowanym żywicielem, SLF może zakończyć rozwój na uprawianej winorośli, Vitis vinifera, odmian i orzecha czarnego, Juglans nigra. Latarnia plamista również wykorzystuje tych i innych rodzimych żywicieli na polu przez cały swój cykl życiowy; grupa przeprowadza molekularne analizy zawartości jelit, aby zidentyfikować karmiących żywicieli podczas rozwoju SLF. Prowadzone są również prace nad potencjalnym transportem autostopem wspomaganym przez człowieka, w tym określenie prędkości, z jaką nimfy SLF i osobniki dorosłe są usuwane z pojazdów. Zespół Leskey dokonuje również ponownej oceny zaleceń dotyczących zakłócenia krycia jabłuszka jabłuszka i ćmy orientalnej, ponieważ wiele zaleceń opiera się na badaniach przeprowadzonych poza Stanami Zjednoczonymi ponad trzy dekady temu.

Drugi zespół, kierowany przez Amy Tabb, koncentruje się na wykorzystaniu wizji komputerowej i robotyki w warunkach biologicznych, rolniczych lub polowych. Na podstawowym poziomie praca Tabba dotyczy szacowania kształtu obiektów i/lub ich lokalizacji za pomocą czujników do automatyzacji zadań. Jeden z bieżących projektów koncentruje się na opracowaniu zautomatyzowanej technologii fenotypowania roślin, która umożliwiłaby optymalną identyfikację najlepszych odmian, klonów, podkładek i kombinacji podkładek/zrazów w celu poprawy jakości plonów.

Trzeci zespół jest prowadzony przez Lisę Tang, która dołączyła do stacji badawczej jesienią 2020 r. jako ogrodnik badawczy. Wcześniej studiowała kwitnienie cytrusów i fizjologię owoców w różnych warunkach stresowych (susza, niskie temperatury, choroby przemiennego owocowania i zazielenienie) na Uniwersytecie Kalifornijskim w Riverside i Uniwersytecie Florydy, odpowiednio na potrzeby swojej pracy doktorskiej i badań podoktoranckich. Misją obecnego programu Tanga jest generowanie nowej wiedzy z zakresu fizjologii drzew i opracowywanie narzędzi do zwiększania produkcji owoców ziarnkowych i pestkowych w obecnych i przyszłych scenariuszach klimatycznych.

Jednym z jej głównych celów jest badanie, w jaki sposób korzenie jabłoni, w tym architektura korzeni i odmiany podkładek, wpływają na fizjologię całego drzewa w odpowiedzi na stres abiotyczny. Jej celem jest zidentyfikowanie cech korzeni, genotypów i podstawowych mechanizmów związanych z odpornością jabłek na stres, taki jak susza i upał. Aby ocenić interakcje podkładek i zrazów w agroekosystemach sadowniczych, jej zespół przeprowadził w 2022 roku próbę polową z planami rozszerzenia o kolejne odmiany podkładek w ciągu najbliższych dwóch lat.

Inny kierunek programu badawczego Tanga koncentruje się wokół selekcji nektaryn opracowanych przez zespół hodowlany Kearneysville. Nektarynki mają wysoką zawartość cukru i wyjątkowe i złożone smaki, które odróżniają je od innych odmian, ale niewiele wiadomo na temat genetyki lub fizykochemii leżącej u ich podstaw. Tang pracuje obecnie nad określeniem składu owoców tych selekcji i oceną, czy cecha o wysokiej zawartości cukru wpływa na fenologię lub wzrost drzew. Wysiłki pomogą wyjaśnić genetyczne i fizjologiczne podstawy zwiększonego poziomu cukru i dostarczą informacji na temat optymalizacji praktyk produkcyjnych w celu uprawy tych nowych nektaryn.

Czwartym zespołem kieruje naukowiec zajmujący się glebą Andrew Bierer, który dołączył do stacji badawczej w lipcu 2021 r. Bierer uzyskał doktorat na Virginia Tech w 2019 r., badając obieg makroskładników odżywczych w glebie i badając dynamikę węgla w glebie podczas wizyty podoktoranckiej. Jego program badawczy rozwija się, aby zbadać aspekty wpływu zmieniającego się klimatu na produkcję roślin sadowniczych. Bierer tworzy miejsce eksperymentalne w celu empirycznej ilościowej oceny przepływów węgla i wzorców alokacji w sadzie jabłoniowym na skalę komercyjną. Projekt ten ma na celu wypełnienie luki w wiedzy dotyczącej śladu węglowego systemu produkcyjnego, który nabiera coraz większego znaczenia w miarę przyjmowania przez sprzedawców detalicznych zobowiązań dotyczących zrównoważonego rozwoju oraz w miarę rozwoju programów zachęt środowiskowych i rynków emisji dwutlenku węgla.

Laboratorium gleb pracuje również nad innymi aspektami zrównoważonego rozwoju przemysłu, dotyczącymi stresów abiotycznych. Na przykład Bierer opracowuje system badań przesiewowych, który pozwala naukowcom nałożyć ostry i przewlekły stres związany z suszą na różnych krańcach. Oczekiwanymi rezultatami są zwiększona regionalna precyzja zaleceń dotyczących podkładek/zrazów, strategie łagodzenia skutków oraz poprawa wskaźników tolerancji abiotycznej dla wielu rodzajów drzew owocowych. Laboratorium glebowe ma również na celu zbadanie nowych obszarów produkcyjnych na marginalnych glebach Appalachów w celu rozszerzenia regionalnej specjalistycznej produkcji roślinnej.

Piątym zespołem kieruje Tami Collum, która również dołączyła do stacji badawczej w lipcu 2021 r. Doktoryzowała się na Uniwersytecie Maryland, gdzie badała mechanizmy molekularne zaangażowane w ruch systemowy wirusa przez tkanki układu naczyniowego roślin. Misją zespołu Collum jest opracowanie zrównoważonych strategii zarządzania chorobami upraw owoców ziarnkowych i pestkowych, zarówno podczas produkcji, jak i po zbiorach.

Jednym z głównych celów jest zbadanie szybkiego zamierania jabłek (RAD), tajemniczego zespołu dotykającego młode, karłowate jabłonie – jak dotąd bez potwierdzonej przyczyny. Jest prawdopodobne, że zespół czynników biotycznych i abiotycznych przyczynia się do RAD — takich jak wirusy, inne mikroorganizmy, owady i stres środowiskowy. Zespół Colluma pracuje nad zbadaniem roli, jaką ukryte i nowo odkryte wirusy jabłoni mogą odgrywać w zamieraniu drzew. Jej zespół charakteryzuje również reakcje molekularne zachodzące w jabłoniach podczas RAD. Celem tej pracy jest zidentyfikowanie wczesnych markerów molekularnych RAD, które pomogą w opracowaniu i ocenie strategii postępowania.

Innym obszarem zainteresowania jest badanie alternatyw dla antybiotyków i fungicydów do zwalczania chorób. Collum obecnie współpracuje ze współpracownikami w celu oceny mikroorganizmów i produktów naturalnych, które mogą potencjalnie zwiększyć odporność roślin i zapobiegać chorobom zarówno podczas produkcji, jak i po zbiorach. Celem tej pracy jest zapewnienie hodowcom alternatywnych strategii zwalczania chorób w celu zwiększenia ekonomicznego i ekologicznego zrównoważenia produkcji sadowniczej.

—autorstwa Tracy Leskey, Laury Nixon, Amy Tabb, Lisy Tang, Andrew Bierera i Tami Collum

Tracy Leskey jest dyrektorem i kierownikiem badań w Appalachskiej Stacji Badawczej Owoców Departamentu Rolnictwa Stanów Zjednoczonych w Kearneysville w Wirginii Zachodniej. Laura Nixon jest naukowcem wizytującym w grupie badawczej Innovative Fruit Production, Improvement and Protection. Wiodącymi obszarami badawczymi w tej grupie są również inżynier rolnictwa Amy Tabb, badaczka ogrodnictwa Lisa Tang, badacz gleby Andrew Bierer i badacz patolog roślin Tami Collum.