برنج مقاوم به امواج گرمایی

برنج مهندسی ژنتیکی شده نه تنها می‌تواند در برابر امواج گرمایی مقاومت کند، بلکه می‌تواند تا۲۰٪ دانه بیشتری تولید کند.

در اثر فتوسنتز مواد شیمیایی جانبی ایجاد می‌شود که می‌تواند فرآیند تبدیل نور به گلوکز را تخریب کند. هرچه هوا گرم‌تر باشد، احتمال این‌که سرعت روند این واکنش‌های شیمیایی (تخریب) افزایش و دیگر واکنش‌ها (رشد و فتوسنتز) کاهش یابد، بیشتر است. اکنون گروهی از متخصصان ژنتیک، گیاهانی را مهندسی کردند که می‌توانند آسیب‌های گرمایی را بهتر ترمیم کنند؛ پیشرفتی که با گرم شدن کره زمین و افزایش امواج گرمایی می‌تواند به حفظ بازده محصولات کمک شایانی کند. نکته قابل توجه دیگر در مورد این گونه اصلاحات این است که ایجاد این تغییرات باعث می‌شود که گیاهان حتی در دماهای بالاتر پربازده‌تر از دماهای نرمال عمل کنند.

اصلاح ژنتیکی در سه نوع از گیاهان انجام شد: خردل (که رایج‌ترین مدل گیاه آزمایشگاهی است)، تنباکو و برنج. البته هر نوع گیاه زراعی دیگری نیز قابل استفاده بود. این تحقیق با عقیده عمومی دانشمندانی که روی فتوسنتز کار می‌کردند، مغایرت داشت و حتی برخی از زیست‌شناسان گیاهی از این‌که چگونه ژن اضافه شده چنین مزایایی را ایجاد می‌کند، حیرت زده شدند.

زمانی‌که گیاهان در معرض نور خورشید قرار می‌گیرند، مجموعه‌ای از پروتئین‌ها به نام فتوسیستم ۲ (PSII) به الکترون‌های مربوط به فتوسنتز انرژی می‌دهند. اما گرما یا نور شدید می‌تواند منجر به آسیب در یک زیر واحد کلیدی به نام D1 شود و تا زمانی‌که گیاه زیر واحد جدید بسازد و به مجموعه وارد کند، نبود این زیرواحد باعث توقف عمل PSII می‌شود. گیاهانی که D1 اضافی را می‌سازند سرعت ترمیم آن‌ها افزایش پیدا می‌کند.

کلروپلاست‌ها، اندامک‌های میزبان عمل فتوسنتز هستند و DNA خاص خود را که شامل ژن برای ساخت D1 است، دارا هستند. اکثر زیست‌شناسان تصور می‌کردند که پروتئین‌ها درون این اندامک‌ها ساخته می‌شوند، درحالی‌که ژنوم کلروپلاست‌ها نسبت به ژن‌های موجود در هسته سلول‌های گیاهی بسیار ساده‌تر است!

سرپرست تیم تحقیقاتی، زیست‌شناس مولکولی گیاهی، به نام فَنگ کینگ گو می‌گوید: “شرط می‌بندم که D1 ساخته شده توسط یک ژن هسته‌ای نیز می‌تواند به همین خوبی یا حتی بهتر عمل کند، زیرا سنتز آن در سیتوپلاسم به جای کلروپلاست می‌تواند از تاثیر محصولات جانبی ویرانگرِ ناشی از واکنش‌های فتوسنتزی نیز جلوگیری کند.

گو و همکارانش این ایده را روی گیاه خردل Arabidopsis thaliana آزمایش کردند. آن‌ها ژن D1 موجود در کلروپلاست این گیاه را گرفتند و آن را به یک DNA کشیده شده که در زمان تنش گرمایی روشن می‌شود اتصال دادند و به هسته انتقال دادند. آن‌ها با این آزمایش دریافتند که نهال اصلاح شده Arabidopsis می‌تواند از گرمای شدید 41 درجه سانتی‌گراد به مدت 5/8 ساعت در آزمایشگاه زنده بماند؛ درحالی‌که اکثر گیاهان شاهد در این گرما از بین رفتند. همان ژن Arabidopsis در گیاه تنباکو و برنج نیز نتیجه مشابه داد. در هر سه گونه، فتوسنتز و رشد نسبت به گیاهان کنترل زنده مانده، کم‌تر کاهش پیدا کرد.

در سال ۲۰۱۷ زمانی که دمای شهر شانگهای به مدت ۱۸ روز از 36 درجه سانتی‌گراد تجاوز کرد، گیاهان برنج اصلاح شده که در زمین‌های آزمایشی کاشته شده بودند، نسبت به گیاهان کنترل، ۸ تا ۱۰%  بازده دانه بیشتری را از خود نشان دادند. گیاهان مهندسی شده از هر سه گونه در دمای بالا دارای فتوسنتز بیشتری بودند. گیاه تنباکو ۴۸% بیشتر از گیاهان شاهد افزایش رشد داشت و گیاه برنج اصلاح شده بیش از ۲۰% افزایش محصول داشت.

گو قصد دارد آزمایش‌های بیشتری در رابطه با این مکانیسم انجام دهد و میزان بازده محصول در گیاه برنج را بیش از پیش افزایش دهد. افزایش بهره‌وری در Arabidopsis اصلاح شده نسبت به دو گونه آزمایش شده دیگر بیشتر بود (بیش از ۸۰% بیومس بیشتر از گیاه شاهد). این نتیجه شاید به این دلیل بود که محققان از ژن D1 خود گیاه Arabidopsis استفاده کرده بودند. گو فکر می‌کند که بازده برنج نیز اگر با ژن کلروپلاست خودش به جای ژن خردل اصلاح شود و یا در گرمای بیشتری قرار بگیرد، افزایش پیدا کند.