گروهی از محققان، در قالب فرآیند تَرا ژنی، با دستکاری ژنوم گیاهان سویا، کارایی فتوسنتز این گیاهان را افزایش دادند تا بازدهی بیشتر محصول را بدون اُفت کیفیت شاهد باشند.

به گزارش خبرنگار پایگاه خبری شهید یاران به نقل از ایصال نیوز، برای اولین بار، محققان «پروژه رایپ» اثبات کردند که مهندسی زیستی چندژنی مداخله گر در فتوسنتز گیاه سویا، بازدهی کیفی و کمّی یک محصول غذایی عمده را در حوزه تحقیقات کشاورزی افزایش می دهد.

پس از بیش از یک دهه تلاش برای رسیدن به این هدف مهم، تیمی مشترک به رهبری دانشگاه ایلینویز امریکا، ژنوم گیاهان سویا را به مدد فناوری تراریخته تغییر دادند تا عملکرد فتوسنتز این گیاهان را افزایش دهند و در نتیجه بازدهی بیشتر محصولات را بدون از دست دادن کیفیت محصول شاهد باشند.

نتایجی با این درجه از اهمیت نمی‌توانست در زمان حیاتی‌تری به دست بیاید! آخرین گزارش سازمان ملل متحد؛ «وضعیت امنیت غذایی و تغذیه در جهان – ۲۰۲۲»، نشان داد که در سال ۲۰۲۱ تقریباً ۱۰ درصد از جمعیت جهان گرسنه بودند، وضعیتی که در چند سال گذشته به طور پیوسته بدتر شده است و همه تهدیدات دیگر را تحت الشعاع قرار داده است.

این در حالی ست که انتظار می رود تا سال ۲۰۳۰، بیش از ۶۶۰ میلیون نفر با کمبود مواد غذایی و سوء تغذیه مواجه شوند. از جملۀ دلایل اصلی این رخداد ناگوار، ناکارآمدی زنجیره تامین مواد غذایی و شرایط نامساعد رشد و پرورش محصولات غذایی به دلیل تبعات تغییرات اقلیمی‌ست.

بهبود فرآیند دسترسی به غذا و بهبود توان پایداری، مقاومت و امکان کشت محصولات غذایی در مناطق جغرافیایی مختلف بویژه در مناطق فقیر، از جمله اهداف کلیدی مطالعاتی پروژه رایپ است.

پروژه افزایش کارایی فتوسنتزی گیاهان «به اختصار؛ پروژه رایپ»، یک پروژه تحقیقاتی بین المللی است که هدف آن افزایش تولید جهانی غذا ست؛ از طریق بهبود کارایی فتوسنتزی در محصولات غذایی برای کشاورزان خرده پا در جنوب صحرای آفریقا، که با حمایت بنیاد بیل و ملیندا گیتس که بنیادی فعال در حوزه غذا و کشاورزی است، در حال انجام است.

آماندا دی سوزا، محقق فعال در پروژه رایپ، می‌گوید: «تعداد افرادی که تحت تأثیر کمبود مواد غذایی قرار گرفته‌اند رو به افزایش است و پیش‌بینی‌ها به وضوح نشان می‌دهد که باید تغییری در سطح عرضه مواد غذایی برای تغییر مسیر ایجاد شود.»

این دانشمند حوزه تحقیقات کشاورزی، افزود: تحقیقات ما، راهکار موثری برای کمک به امنیت غذایی افرادی که بیشتر به آن نیاز دارند است. بهبود عملکرد فتوسنتز گیاهان، یک فرصت بزرگ برای دستیابی به جهش مورد نیاز به منظور بهبود عملکرد با هدف افزایش محصول است.

فتوسنتز، فرآیندی طبیعی‌ست که همه گیاهان برای تبدیل نور خورشید به انرژی و محصول از آن استفاده می کنند، محققان پروژه رایپ بیش از یک دهه است که برای بهبود این فرآیند و عملکرد، در تلاش هستند.

این دستاورد بی نظیر در نوع خود که اخیراً در مجلۀ ساینس منتشر شده است، ساختار فرآیند فتوسنتز گیاه سویا را بهبود بخشیده است. ساختار VPZ شامل سه ژن است که پروتئین‌های چرخه زانتوفیل را کد می‌کنند، که چرخۀ رنگدانه‌ای است که به محافظت از نور گیاهان کمک می‌کند.

گیاهان هنگامی که در نور کامل خورشید قرار می گیرند، این چرخه در برگ ها فعال می شود تا از آسیب محافظت کند و به برگ ها اجازه می دهد انرژی اضافی را از بین ببرند.

با این حال، زمانی که برگ ها در معرض سایه قرار می‌گیرند (در اثر سایر برگ ها، ابرها یا تغییر زاویه تابش خورشید در ساعات مختلف روز)، این محافظ نوری باید خاموش شود تا برگ ها بتوانند با ذخیره ای از نور خورشید، به فرآیند فتوسنتز ادامه دهند.

تقریباً چند دقیقه ای طول می‌کشد تا گیاه مکانیسم حفاظتی خود را خاموش کند؛ «زمان طلایی» که در صورت جلوگیری از هدررفت آن، وقت گرانبهایی در اختیار گیاه قرار می‌گیرد تا فتوسنتز بیشتر و بهتری انجام دهد.

دستاورد جدید محققان در تغییر ساختاری VPZ، در واقع، این فرآیند خاموش شدن مکانیسم حفاظتی را تسریع می کند، بنابراین هر بار که برگ با سایه مواجه می‌شود، مکانیسم محافظت از نور، سریعتر خاموش می شود و برگ‌ها دقایق بیشتری فتوسنتز می کنند و وقتی در طول فصل رشد (چرخه تولید محصول) این دقایق جمع شوند، سرعت کل فتوسنتز گیاه را افزایش می دهد.

این تحقیق نشان داد که علیرغم افزایش بیش از ۲۰ درصدی عملکرد تولیدی گیاه، کیفیت محصول تحت تأثیر نامطلوب قرار نگرفت.

استفان لانگ، مدیر پروژه رایپ و رئیس دانشگاه علوم زراعی ایکنبری در این‌باره می‌گوید: علیرغم عملکرد بهتر و در نتیجه تولید بیشتر، پروتئین دانه سویا کیفیت خود را حفظ می‌کند. این نشان می دهد که بخشی از انرژی اضافی حاصل از فتوسنتزِ بهبود یافته، احتمالا به سمت باکتری های تثبیت کننده نیتروژن در گره‌های گیاه هدایت شده است.

محققان ابتدا ایده خود را در گیاه تنباکو به دلیل سهولت امکان تغییر ژنتیک محصول و مقدار دانه هایی که می توان از یک گیاه تولید کرد، آزمایش کردند. این مزیت به محققان این امکان را می‌دهد تا ظرف چند ماه پس از اصلاح ژنتیکی، وارد فاز آزمایش میدانی شوند.

هنگامی که این مفهوم در تنباکو اثبات شد، دانشمندان وارد پژوهش پیچیده‌تری شدند که همان دستکاری ژنتیکی سویا بود.

استفان لانگ در این‌باره می‌گوید: افزایش قابل‌توجه در تولید تنباکو و سویا – دو محصول بسیار متفاوت – نشان می‌دهد که این ایده، کاربردی جهانی دارد. مطالعه ما نشان می دهد که بهبود عملکرد گیاهان به شدت تحت تاثیر محیط زیست آن گیاهان است فلذا تکرارپذیری این نتیجه در بین محیط های مختلف برای اطمینان از پایداری محیطی، حائز اهمیت است.

تحقیقات کشاورزی تکمیلی درباره این سویاهای تراریخته، هم‌اکنون در حال انجام است و انتظار می‌رود نتایج آن در اوایل سال ۲۰۲۳ منتشر شود.

دی سوزا، محقق فعال در پروژه رایپ در این‌باره می‌گوید: تأثیر اصلی این تحقیقات، گشودن راه‌ها برای نشان دادن این است که می‌توانیم «فتوسنتز» را مهندسی کنیم و عملکرد گیاهان را برای افزایش تولید محصولات کلیدی، بهبود بخشیم.

پروژه رایپ و حامیان این پروژه، متعهد به تضمین دسترسی جهانی و در دسترس قرار دادن فناوری های پروژه برای کشاورزانی هستند که به آنها بیشتر نیاز دارند.

استفان لانگ درباره فرآیند طولی چنین تحقیقاتی می‌گوید: «پیمودن چنین مسیری برای شخص من، بیش از ربع قرن طول کشیده است. ابتدا با تجزیه و تحلیل نظری کارایی نظری فتوسنتز محصولات، شبیه سازی کامل فرآیند با محاسبات دقیق، و به دنبال آن استفاده از فرآیندهای بهینه سازی شروع می شود. حمایت مالی در ده سال گذشته اکنون به ما این امکان را می دهد که برخی از این نقاط حساس شناسایی شده در چرخۀ زیستی گیاهان را مهندسی کنیم و دستکاری محصولات را در مقیاس میدانی آزمایش کنیم. پس از سال ها آزمایش و شکست، دیدن چنین نتیجۀ تماشایی برای تیم تحقیقاتی پروژه رایپ، فوق العاده لذت بخش است.

عنوان مقاله مرجع: فتوسنتز سویا و عملکرد محصول با تسریع فرآیند خاموش شدن مکانیسم حفاظت از نور، بهبود می یابد

گروه محققان: ماندا پی. دی سوزا، استیون جی. برگس، لین دوران، جفری هانسن، لوسیا مانوکیان، نینا مارین، دانانجی گوتارکار، لوریبت لئونلی، کریشنا کی نیوگی، استیون پی لانگ