دانشمندان با هک کردن ژن برنج، بازدهی آن را ۴۰ درصد افزایش دادند
پژوهشگران با اضافه کردن نسخه‌ی دیگری از یکی از ژن‌های واریته‌ای از برنج چینی به آن، بازدهی آن را تا ۴۰ درصد افزایش دادند. این گروه در مجله ساینس گزارش کردند، این تغییر به گیاه کمک می‌کند تا کود بیشتری جذب کند، فتوسنتز را افزایش می‌دهد و گلدهی را تسریع می‌کند که همه می‌توانند موجب افزایش برداشت محصول شوند.
متیو پل، متخصص ژنتیک گیاهی در مؤسسه تحقیقات روتامستد که در پژوهش جدید مشارکتی نداشت، می‌گوید: «افزایش بازدهی حاصل از ژن واحدی که کل این اثرات را ایجاد می‌کند، شگفت‌انگیز است. فکر نمی‌کنم قبلاً چنین چیزی دیده باشم. این رویکرد را می‌توان در محصولات دیگر نیز آزمایش کرد.» مطالعه جدید نتایج اولیه حاصل از آزمایش‌های انجام‌شده روی گیاه گندم را نیز گزارش می‌کند.
بازدهی یک محصول کشاورزی بسیار پیچیده است، زیرا تحت‌تأثیر اثر متقابل بین ژن‌های زیادی قرار می‌گیرد. برای سال‌ها، متخصصان بیوتکنولوژی به‌دنبال ژن‌های واحدی بوده‌اند که بتوانند بازدهی را افزایش دهند، اما موفقیت چندانی کسب نکرده‌اند.
در سال‌های اخیر، پژوهشگران روی ژن‌هایی تمرکز کرده‌اند که ژن‌های دیگر را کنترل می‌کنند و بنابراین جنبه‌های متعدد فیزیولوژی مانند جذب مواد مغذی از خاک، تنظیم سرعت فتوسنتز و هدایت منابع از برگ‌ها به دانه‌ها را تحت کنترل دارند.
اصلاح یکی از این ژن‌های تنظیم‌کننده در ذرت موجب ۱۰ درصد افزایش در بازدهی می‌شود که در مقایسه با افزایش یک درصد در سال که ازطریق روش‌های سنتی اصلاح گیاهان به دست می‌آید، افزایش چشمگیری است.
برای پیدا کردن سایر کاندیداهای افزایش بازدهی، گروهی از پژوهشگران به سرپرستی ونبین ژو، متخصص فیزیولوژی محصولات زراعی از آکادمی علوم کشاورزی چین (CAAS)، ۱۱۸ ژن تنظیم‌کننده برنج و ذرت را بررسی کردند. این ژن‌ها پروتئین‌هایی به نام فاکتورهای رونویسی را رمزگذاری می‌کنند و در پژوهش‌های گذشته نشان داده شده است که احتمالاً نقش مهمی در فتوسنتز دارند.
تیم ژو به‌دنبال درک این مسئله بود که آیا ژن‌های مذکور در برنجی که در خاک کم نیتروژن می‌روید، فعال هستند، زیرا چنین ژن‌هایی ممکن است جذب مواد مغذی را افزایش دهند. افزایش فعالیت آن‌ها در برنج رشدیافته در خاک معمولی می‌تواند موجب شود که گیاه نیتروژن بیشتری جذب کند و دانه بیشتری تولید کند.
پژوهشگران ۱۳ ژن را پیدا کردند که وقتی گیاهان برنج در خاک فقیر از نیتروژن رشد کردند، فعال شدند. پنج مورد به افزایش چهار برابری یا بیشتر در جذب نیتروژن منجر شدند. آن‌ها یک نسخه اضافی از یکی از این ژن‌ها به نام OsDREB1C را وارد واریته‌ای از برنج به نام Nipponbare کردند و ژن مذکور را در گروه دیگری از گیاهان برنج غیرفعال کردند.
آزمایش‌های گلخانه‌ای که توسط شائوبو وی و شیا لی از آکادمی علوم کشاورزی چین انجام شد، نشان داد که گیاهان فاقد ژن مذکور در مقایسه با گیاهان کنترل (که ژن OsDREB1C در آن‌ها غیرفعال نشده بود) رشد کمتری داشتند، درحالی‌که گیاهان دارای نسخه اضافی OsDREB1C سریع‌تر رشد کردند و ریشه‌های بلندتری داشتند.
تغذیه خوب یکی از دلایل بود: ردیاب‌های ایزوتوپی نشان دادند گیاهانی که دارای نسخه‌ی اضافی از ژن OsDREB1C بودند، به کمک ریشه‌های خود نیتروژن بیشتری جذب کرده بودند و مقدار بیشتری از آن را به شاخه‌های خود منتقل کرده بودند.
گیاهان اصلاح‌شده برای فتوسنتز نیز مجهزتر بودند؛ مقدار کلروپلاست (اندامک فتوسنتزکننده که درون سلول‌های گیاه وجود دارد) در برگ‌های آن‌ها حدود ۳۰ درصد بیشتر بود. علاوه‌بر‌این، مقدار آنزیم RuBisCO در آن‌ها حدود ۳۸ درصد بیشتر بود. آنزیم RuBisCO یکی از آنزیم‌های کلیدی در فتوسنتز است.
برنج تقویت‌شده طی دو تا سه سال در مزرعه کشت شد و در سه منطقه از چین با اقلیم‌های معتدل تا گرمسیری، بازدهی بالاتری داشت.
مسئله مهم‌تر اینکه پژوهشگران همچنین با افزودن نسخه اضافی از ژن مذکور، رقم پرمحصولی از برنج را که اغلب توسط کشاورزان کشت می‌شود، تغییر دادند. این گیاهان نسبت به گیاهان گروه کنترل تا ۴۰ درصد دانه بیشتری در هر کرت تولید کردند. پم رونالد، متخصص ژنتیک گیاه برنج در دانشگاه کالیفرنیا دیویس می‌گوید: «این عدد بزرگی است.»
- پرورش محصولات کشاورزی زیر پنل‌های خورشیدی؛ راهکاری برای افزایش بازدهی و کاهش مصرف آب
- چرا کشاورزی سلولی می‌تواند آینده کشاورزی باشد؟
- استفاده از ادرار انسان به‌عنوان کود؛ راهکار موفقیت‌آمیز برای پرورش محصولات کشاورزی
همانند مورد آزمایش‌های گلخانه‌ای، گیاهان اصلاح‌شده در مزرعه هم دانه‌های بزرگ‌تری داشتند و هم دانه‌های بیشتری تولید کردند. استیو لانگ، متخصص فیزیولوژی گیاهی در دانشگاه ایلینوی می‌گوید: «کاری که آن‌ها انجام دادند، این است که واریته بسیار خوبی از برنج را انتخاب کردند و نشان دادند که می‌توانند آن را بهتر کنند. این کار بسیار متقاعدکننده‌تر از بهبود یک واریته آزمایشی است.»
گیاهان اصلاح‌شده همچنین زودتر گل دادند و بسته به محیط می‌توانند مزیت‌های داشته باشند. برای مثال، کشاورزان ممکن است محصولات بیشتری در هر فصل پرورش دهند یا محصولات را پیش از اینکه گرمای تابستان به آن‌ها آسیب بزند، برداشت کنند.
درحالی‌که برنج نیپون‌بار اصلاح‌شده حدود ۱۹ روز زودتر گل داد، رقمی از برنج که کشت آن معمول است، فقط دو روز زودتر گل داد.
پژوهشگران برای نشان دادن پتانسیل کلی‌تر، ژن OsDREB1C برنج را به یک رقم پژوهشی گندم اضافه کردند و همان اثرات را مشاهده کردند.
ژن OsDREB1C و ژن‌های مشابه نه‌تنها در برنج، گندم و گیاهان تیره گندمیان وجود دارد، بلکه در گیاهان پهن‌برگ نیز وجود دارد. پژوهشگران نتایج مشابهی را با افزودن نسخه اضافی به گیاه رشادی مشاهده کردند. رشادی گیاهی است که به‌خوبی مورد مطالعه قرار گرفته است و در آزمایش‌ها به‌عنوان یک گیاه مدل استفاده می‌شود. نتیجه حاکی از نقش مشترک ژن مذکور در کل سلسله گیاهان است و نشان می‌دهد بازدهی محصولات کشاورزی دیگر را نیز ممکن است بتوان با این روش افزایش داد.
محصولات تراریخته مانند برنجی که تیم ژو آن را تولید کرد، برای برخی از مصرف‌کنندگان قابل‌قبول نیستند. اما ژو و همکارانش می‌گویند که همین افزایش بازدهی با ویرایش ژن‌های خود گیاه نیز امکان‌پذیر است. در برخی از کشورها درمورد ویرایش ژن‌های خود گیاه نسبت‌به مهندسی ترانس‌ژنیک سختگیری کمتری اعمال می‌شود.
کود اضافی که در مزارع استفاده می‌شود، همراه رواناب از مزارع خارج می‌شود و آب رودخانه‌ها و دریاچه‌ها را آلوده می‌کند. رونالد می‌گوید، مزیت دیگر این است که افزایش کارآیی مصرف نیتروژن در محصولات کشاورزی می‌تواند آلودگی رودخانه‌ها و دریاچه‌ها را کاهش دهد.
