آیا با انتقال تک ژن ها می توان «عملکرد» محصولات زراعی را افزایش داد؟

چکیده
در ژنتیک کلاسیک باور صحیح و غالب کنترل صفات کمی مانند صفت عملکرد با تعداد زیادی ژن است. ژن های اصلی یا بزرگ اثر در کار کنترل صفات کیفی هستند. از طرف دیگر کثرت مقالات منتشر شده در مجلات معتبر در مورد افزایش عملکرد ناشی از انتقال یک ژن (معمولا ژنهای مقاومت به تنش‌های زیستی یا تحمل تنش‌های غیر زیستی مانند خشکی) موجب افزایش عملکرد چشمگیر شده است. متا آنالیزهای معتبری هم افزایش عملکرد را در مجموع 22.5 درصد ذکر کرده‌اند. در این مقاله این ابهام مرور خواهد شد. افزایش عملکردی که در نتیجه انتقال این گونه ژن‌ های اصلی مشاهده می‌شود در واقع افزایش عملکرد نیستند بلکه افزایش محصول ناشی از پیشگیری از کاهش عملکرد تحت شرایط تنش بار است. اما مگر مفهوم اصلی عملکرد هم به جز این است؟ آیا آنچه موجب بهبود اجزای عملکرد و در نتیجه افزایش عملکرد می‌شود مفهوم دیگری دارد؟ برای مثال وقتی تعداد دانه در ذرت (یکی از مهمترین اجزای عملکرد) در نتیجه تنش خشکی کاهش می‌یابد نمی توان گفت عملکرد کاهش یافته است؟

کلیدواژه ها: عملکرد، تک ژن، مهندسی ژنتیک، تک ژن، تنش غیر زیست

یشرفت­ های جدید در علوم زیستی به شناسایی ژن ­های ارزشمند در موجوادت زنده منجر شده است. از این قابلیت و توان ژنتیک موجود در طبیعت برای اصلاح گیاهان زراعی استفاده شده است. با استفاده از روش­های پیشرفته، ژن­های مطلوب از یک موجود دیگر به ژنوم گیاه مورد نظر منتقل می‌شود و محصولی به وجود می آید که قبلا فاقد چنین ویژگی‌هایی بوده است.

برای مثال می ­توان به تولید ذرت متحمل به خشکی اشاره کرد. این محصول که سطح زیر کشت آن از 50 هزار هکتار در سال 201 به 4.1 ميليون هکتار در سال 2017 رسيده است (28 برابر افزایش تنها طی 4 سال) با انتقال يک ژن تحمل به خشکی به ژنوم گیاه ذرت به وجود آمده است. سویا، ذرت و پنبه تراریخته محصولات دیگری هستند که با انتقال ژن ايجاد کننده مقاومت به آفت يا تحمل به علفکش به وجود آمده­ اند.

در ژنتیک کلاسیک همواره آموخته‌ ایم که کنترل ژنتیک صفت عملکرد، پیچیده است و عملکرد یک “صفت کمی” است که تحت کنترل صدها ژن قرار دارد. تعرضی به این اصل مادری نیست. اما یکی از مهم‌ترین مزایای اقتصادی محصولات تراریخته نیز افزایش عملکرد و افزایش بازدهی محصول عنوان شده است. ابهامی که به وجود می‌آید این است که چگونه با انتقال تنها یک ژن می­توان یک صفت چند ژنی مثل مقدار عملکرد محصول را تحت تاثیر قرار داد؟ این سوالی است که در این نوشتار به آن پاسخ خواهیم داد.

تردیدی نیست که در ژنتیک صفات و ویژگی­های یک موجود زنده به دو دسته صفات کمی و کیفی تقسیم می­شوند. صفات کیفی یا صفات تک ­ژنی معمولا توسط یک ژن یا بعضی اوقات توسط گروه کوچکی از ژن­های بزرگ اثر کُد می­شوند. اما صفات کمّی یا صفات چند ژنی تحت کنترل تعداد بیشتری از ژن­ها هستند. این صفات می­توانند تحت تاثیر محیط تغییر کنند. بر همین اساس، عملکرد یک گیاه صفتی کمی محسوب می­شود که تحت تاثیر صفات مختلف و همینطور تحت تاثیر محیط قرار دارد.

یکی از شبهاتی ممکن است در بین خوانندگان جوانتر به ویژه داشجویان عزیز به وجود آید همین ارتباط افزایش عملکرد در این محصولات است. ممکن است این سوال پیش بیاید که چون عملکرد یک گیاه صفتی کمّی است و تحت تاثیر عوامل مختلف قرار دارد، مزیت افزایش عملکرد برای محصولات تراریخته (که با انتقال یک و به ندرت چند ژن تولید می‌شوند) قابل تصور و علمی نیست.

اما واقعيت اين است که مقالات علمی و پژوهشی معتبر فراوانی طی دو دهه گذشته نشان مي‌دهند که محصولات تراریخته از طریق کاهش خسارت آفات، کنترل موثرتر علف‌های هرز و استفاده از واریته‌های پیشرو برای تراریخته‌سازی موجب افزایش عملکرد در مقایسه با ارقام متداول شده‌اند. این افزایش عملکرد در محصول‌های مختلف و در شرایط مختلف متفاوت است. متا­آنالیزها و گزارش‌های معتبر افزایش عملکردی برابر با6/216 درصد (1) و 6/5 تا 5/24 درصد در ذرت (2) و 40-30 درصد در پنبه (3) را ذکر کرده‌اند. افزایش عملکرد گزارش شده در مورد پنبه تراریخته در آرژانتین 33 درصد و در آمریکا 11 درصد بوده است (4). گزارشی مبنی بر کاهش عملکرد در نتیجه استفاده از محصولات تراریخته یافته نشد. طی سالهای 1996 تا 2016 فناوری تراریخته موجب افزایش تولید 213 میلیون تن سویا و 405 میلیون تن ذرت شده است (5). افزایش عملکردهای یاد شده به عنوان دستاوردهای جانبی استفاده از محصولات تراریخته نسل اول ارزیابی می‌شوند. بنابراين در گیاهان تراریخته مقاوم به آفات، میزان اتلاف محصول به حداقل می­رسد. این در حالی است که در ارقام غیر تراریخته، حتی با وجود سمپاشی‌های مکرر گاهی تا هشتاد درصد محصول نیز توسط آفات مختلف از بین رفته است (6). از طرف دیگر، هر ساله شاهد هستیم که بخش اعظمی از محصولات کشاورزان بخاطر کمبود بارندگی و خشکسالی از بین می‌رود. بدیهی است در چنین شرایطی گیاهی که نسبت به شرایط خشکی مقاوم است محصول بیشتری را تولید می­کند. به عنوان مثال گزارش شده است که ذرت DroughtGard، که با انتقال يک ژن ايجاد شده است، افزايش رشد و عملکرد را به ويژه در شرايط خشکي به همراه داشته است (7). بنابراین می ­توان استدلال کرد از آنجا که گیاهان تراریخته  از تلف شدن محصول جلوگیری می­ کنند، “در آن شرایط تنش بار عملکرد بیشتری نسبت به نوع غیر تراریخته خود دارند”.

علاوه بر موارد ذکر شده در سایه تحولات ایجاد شده در فناوری، دانشمندان می ­توانند به طور مستقیم عملکرد یک گیاه را با انتقال تنها یک ژن افزایش دهند. برای مثال مقاله ­ای که در سال 2013 در مجله نیچر منتشر شده است، نشان می­ دهد که تنها با انتقال يک توالي کوتاه دي.ان.اِ به گياه برنج، اندازه دانه افزايش يافته و موجب گسترش خوشه­ های برنج شده به طوري که افزايش 25 درصدي عملکرد را در پي داشته است. پژوهشگران دراین مقاله گزارش کرده‌اند که این ژن که  OsmiR397 نام دارد، به وسیله کاهش بیان یک ژن دیگر سبب می ­شود تا بازدهی دانه برنج (عملکرد محصول) افزایش پیدا کند. دانشمندان معتقد هستند که با استفاده از این ژن می­توان بجز برنج میزان عملکرد سایر غلات را نیز افزایش داد (8).

مثال دیگر مربوط به ژن نیترات ترانسپورتر گیاه برنج (OsNRT2.3b) است. پروتئين کدشونده توسط این ژن بر روی غشای پلاسمایی قرار دارد و به طور عمده در آوند آبکش بیان می‌شود. این پروتئین داراي يک موتیف تنظیمی در سمت سیتوزولی است که با خاموش یا روشن‌کردن فعالیت انتقال نیترات بر اساس مکانیسم درک pH عمل می‌کند. بیان بالای ژن OsNRT2.3b در برنج، توانایی گیاه را برای خنثی سازی pH تقویت کرده و جذب نیتروژن، آهن و فسفر را افزایش می‌دهد (9). در آزمایش‌های مزرعه‌ای، بیان افزایش یافته OsNRT2.3b عملکرد دانه و کارایی مصرف نیتروژن را تا 40% بهبود بخشید (9).

گزارشات ديگري هم وجود دارد که نشان داده است با انتقال يک تک ژن از خانواده NAC ميزان محصول نهايي گياه برنج تراريخته در شرايط تنش خشكي بين 70-20 درصد در مقايسه با گياه شاهد افزايش مي‌يابد (10 و 11).

محصولات غذایی که با استفاده از مهندسی ژنتیک تولید می­شوند مزایای گسترده ای برای تولید کننده(کشاورزان)، مصرف کننده و محیط زیست به همراه دارند. از میان این مزایا افزایش عملکرد یک مزیت اقتصادی مهم برای این گیاهان محسوب می­شود.

علاوه بر موارد گفته شده مهندسی ژنتیک پتانسیل بسیار گسترده ­ای برای افزایش عملکرد گیاهان دارد. برای مثال، اخیرا در آلمان پژوهشگران موفق به تولید آنزیم روبیکسو در یک باکتری شدند. این موفقیت، امکان مهندسی ژنتیک این آنزیم را برای بهبود ویژگی­های آن فراهم می ­کند. مهندسی ژنتیک تولید انواع روبیسکو با ویژگی­های عملکردی بهبود یافته را ممکن می‌سازد. با توجه به نقش کلیدی این آنزیم در فرایند فتوسنتز، این دستاورد می­ تواند به تولید انواع گیاهان تراریخته با کارایی فتوسنتزی بالاتر منجر شود. با افزایش کارایی فتوسنتز در گیاهان، عملکرد محصولات کشاورزی و تولید محصول به مقدار زیادی افزایش می یابد (12 ).

جمعیت جهان در سال ۲۰۵۰ به بیش از ۹ میلیارد نفر خواهد رسید. با رشد روز افزون جمعیت و افزایش تقاضا برای غذا، در عین محدودیت منابع، تولید غذا برای تامین غذای سالم و کافی باید افزایش پیدا کند. افزایش عملکرد گیاهان به کمک مهندسی ژنتیک یکی از روش­ های کارآمد برای افزایش بهره­ وری و تولید است.

منابع:

1. Klumper W and Qaim M. 2014. A Meta-Analysis of the Impacts of Genetically Modified Crops. Plos one  https://doi.org/10.1371/journal.pone.0111629.
2. Pellegrino E, Bedini S, Nuti M and Ercoli L. 2018. Impact of genetically engineered maize on agronomic, environmental and toxicological traits: a meta-analysis of 21 years of field data. Scientific Report. www.nature.com/scientificreports DOI:10.1038/s41598-018-21284-2.
3. Singh RJ 2017. Sustainable intensification of transgenic cotton in India – A review. Indian Journal of Agricultural Sciences 87 (10).
4. Alan B, Bennett A, Chi-Ham C, Barrows G, Sexton S and Zilberman D. 2013. Agricultural Biotechnology: Economics, Environment, Ethics, and the Future. Review in Advance first posted online on August 14, 2013.
5. Brookes G and Barfoot P. 2013. Key environmental impacts of global genetically modified (GM) crop use 1996– GM crops & food. 109-119.
6. کاهش ابتلا به سرطان با کشت محصولات تراریخته
7. Where are the drought tolerant crops? An assessment of more than two decades of plant biotechnology effort in crop improvement
8. Yu-Chan Zhang1, Yang Yu1, Cong-Ying Wang, Ze-Yuan Li1, Qing Liu1, Jie Xu, Jian-You Liao1, Xiao-Jing Wang, Liang-Hu Qu1, Fan Chen, Peiyong Xin, Cunyu Yan, Jinfang Chu, Hong-Qing Li2 & Yue-Qin Chen. (2013).  Overexpression of microRNA OsmiR397 improves rice yield by increasing grain size and promoting panicle branching. Nature America, Inc.
9. Fan, X., Tang, Z., Tan, Y., Zhang, Y., Luo, B., Yang, M., … & Xu, G. 2016. Overexpression of a pH-sensitive nitrate transporter in rice increases crop yields.Proceedings of the National Academy of Sciences, 113(26), 7118-7123.
10. Redillas MCFR, et al. 2012. The overexpression of OsNAC9 alters the root architecture of rice plants enhancing drought resistance and grain yield under field conditions. Plant Biotechnol. J. 10, 792–805 ep. 46, 31–
11. Jeong JS, et al. 2013. OsNAC5 overexpression enlarges root diameter in rice plants leading to enhanced drought tolerance and increased grain yield in the field. Plant Biotechnol. J. 11, 101–114 .
12. http://www.biochem.mpg.de/en/20171208-aigner-wilson-hayerhartl