بهبود کارایی فتوسنتز با انجام تغییرات ژنتیکی

منتشر شده در چهارشنبه, 11 بهمن 1396 19:59

پژوهشگران بازده فتوسنتز توتون را با مهندسی ژنتیک افزایش می‌دهند.

بر طبق مقاله منتشر شده در تاریخ ۱۷ نوامبر در science، سرعت واکنش گیاه به نوسانات شدت نور می‌تواند بازده فتوسنتزی آن را افزایش دهد. نویسندگان مقاله توتون را جهت واکنش سریع‌تر به تغییرات ناگهانی بین نور و سایه از لحاظ ژنتیکی مهندسی کرده‌اند که موجب بهبود تقریباً ۱۵ درصدی بهره‌وری گیاهان اصلاح‌شده، گردیده است.

کریستین فویر، دانشمند گیاه‌شناس دانشگاه لیدز انگلستان می‌گوید: "در این پژوهش، افزایش عملکرد گیاه با بهبود کارایی فتوسنتز در شرایط مزرعه برای اولین بار مشاهده شده است. این اتفاق میتواند تغییر بزرگی در کشاورزی ایجاد کند.“

استفان لانگ از دانشگاه ایلینویز که تحقیق جدید را رهبری کرده است، می‌گوید: ”سازمان غذا و کشاورزی ملل متحد (فائو) پیش‌بینی کرده است که تا سال ۲۰۵۰ جهان به تولید غذایی ۷۰ درصد بیشتر از آنچه که در حال حاضر تولید می کند، نیاز خواهد داشت."
همراه با بهبود ذخیره‌سازی، انتقال و حفظ غذا جهت کاهش اتلاف آن، افزایش عملکرد محصولات به‌عنوان یک روش اولیه برای جلوگیری از کمبود مواد غذایی ضروری به نظر می‌رسد.

فویر می‌گوید: ”مشکل این است که با استفاده از تکنولوژی‌های اصلاح سنتی فعلی در بسیاری از محصولات به‌لحاظ افزایش عملکرد تقریباً وضع ثابتی وجود دارد. واضح بود که ما بایست از یک شیوه جدید استفاده می‌کردیم.“

فتوسنتز - تبدیل انرژی نور خورشید به زیست‌توده - یکی از قدیمی‌ترین فرآیندهای زیست‌شناختی در زمین است و به گفته لانگ مسلما "مهمترین آن" می باشد. در واقع، فتوسنتز باعث ایجاد اکسیژن و همچنین غذا می‌شود. از آنجایی‌که تکامل، فتوسنتز را برای مدت طولانی شکل داده است، به گفته لانگ "در مورد اینکه آیا تغییر فتوسنتز تأثیری بر عملکرد محصول دارد یا نه، تردید زیادی وجود دارد.“

اما رابرت بلانکِنشیف، پژوهشگر فتوسنتز در دانشگاه واشنگتن در سنت لوئیس، می‌گوید:
"دقت در مسیر فرآیند فتوسنتز مشخص می کند که در بسیاری از بخشهای این مسیر، سیستم به اندازه ممکن کارآمد نیست." وی همچنین می گوید: "تکامل، موجودات را کامل نمی‌کند، فقط آنها را به اندازه کافی برای بقا مناسب می‌سازد".

یک مثال از چنین کارآیی کمتر از حد مطلوب، فرایندی است موسوم به خاموش‌سازی غیرفتوشیمیایی (NPQ)، که مکانیسمی است که گیاهان را از آثار مضر نورِ بیش از حد شدید، محافظت می‌کند. به‌طور خاص، NPQ انرژي اضافی برانگیختگی نور را به‌صورت گرما پراکنده می‌کند و از بیش‌برانگيختگی و تخریب کمپلکس‌های آنتنِ حاوی کلروفیل، ساختارهای پاسخ به نور که برای فتوسنتز ضروری هستند، جلوگیری می کند. اما هنگامی‌که شدت نور کاهش می‌یابد (برای مثال هنگامی‌که ابر خورشید را می‌پوشاند یا وقتی‌که یک برگ روی برگ دیگر سایه می‌اندازد) NPQ کند می‌شود تا خاموش شود. یعنی اینکه انرژی برانگیختگی حتی اگر بیش از حد نباشد، منحرف می‌شود. مدل‌سازی کامپیوتری نشان داده است که این پس‌افت می‌تواند جذب بالقوه کربن گیاه را به گفته لانگ به میزان ۸ تا ۴۰ درصد کاهش دهد.

لذا لانگ و همکارانش برای افزایش سرعت خاموش یا روشن شدن NPQ، برنامه‌ ریزی کردند. برای انجام این کار، در توتون سه ژن اصلی کنترل‌کننده NPQ را بیش‌بیان کردند: دو ژن رمز کننده آنزیم‌های ویولاگزانتین دِاِپوکسیداز و زآگزانتین اپوکسیداز و یک ژن رمز کننده پروتئین زیرواحد PsbS-a از کمپکلس آنتن فتوسیستم II.

به گفته لانگ، توتون به خاطر اینکه از لحاظ فنی یک محصول قابل انعطاف است، برای مطالعه انتخاب شده و توضیح می‌دهد که محصولات غذایی مانند برنج، سویا و کاساوا اهداف نهایی این پژوهش خواهند بود.

با استفاده از اندازه‌گیری real time سرعت پاسخ NPQ (با آنالیز فلورسانس کلروفیل) و جذب دی‌اکسید کربن (با آنالیز گاز مادون قرمز)، مشاهده شده که هر دو فرآیند به‌طور قابل توجهی افزایش یافته است و این بهبودی در شرایط مزرعه منجر به افزایش ۱۴ درصد تا ۲۰ درصدی وزن خشک هر گیاه شده است. 

بلانکنشیپ می گوید: "آنچه که آنها انجام دادند بسیار تاثیرگذار است" وی افزود: "روش‌های بسیارِ دیگری نیز وجود دارد که ممکن است بتوانند تأثیرات بیشتری داشته باشند، مانند گسترش طیف نوری قابل استفاده توسط گیاهان."

در حقیقت، به گفته فویر: "اقدامات بسیار دیگری در کنار بهبود فرآیند فتوسنتز می توان انجام داد که موجب بهبود افزایش عملکرد محصول شود و آنچه که استیو لانگ و همکارانش انجام داده‌اند این است که فقط یک مورد را حل کردند." وی افزود: "با این پیشرفت، افزایش عملکرد ۷۰ تا ۱۰۰ درصدی که  تا سال ۲۰۵۰ شدیداً به آن نیاز داریم، بیشتر به واقعیت نزدیک می‌شود."

مترجم: سارا هجری

به سفارش مرکز جامع اطلاع رسانی زیست فناوری کشاورزی

کارگروه کشاورزی ستاد توسعه زیست فناوری

منبع خبر