فوتوسنتز بیشتر، راهی برای افزایش تولید محصولات!
مجله علمی ایلیاد - گیاهان نور خورشید را از طریق فوتوسنتز به انرژی تبدیل می‌کنند؛ با این حال، اغلب گیاهان از اثرات جانبی این فرآیند در امان نیستند و برای مقابله با این موضوع، فرآیند انرژی‌بر دیگری به‌نام «تنفس نوری» در آن‌ها تکامل یافته است که خود این فرآیند نیز، به طرز محسوسی بازدهی بالقوه‌ی آن‌ها را کاهش می‌دهد. محققین دانشگاه ایلینوی و سرویس تحقیقات کشاورزی وزارت کشاورزی ایالات متحده، گزارشی در مجله‌ی Science به چاپ رسانده و در آن ادعا کرده‌اند که تنفس نوری گیاهان را مهندسی کرده‌اند، به نحوی که تولید آن‌ها در شرایط دنیای واقعی ۴۰ درصد افزایش می‌یابد.
«دونالد اورت» بازرس قانونی و پروفسور علوم گیاهان از موسسه‌ی زیست‌شناسی و ژنتیک دانشگاه ایلینوی، می‌گوید: «ما فقط با کالری‌های غذایی که در غرب ایالات متحده در اثر تنفس نوری از بین می‌رود، می‌توانیم ۲۰۰ میلیون انسان دیگر را غذا بدهیم. بازیابی حتی بخشی از این کالری‌ها در کل دنیا می‌تواند در برآورده کردن نیازهای غذایی روزافزون، به دلیل رشد جمعیت و رژیم‌های غذایی حاوی مقادیر بالای کالری قرن بیست و یکم، کمک‌کننده باشد.»
این مطالعه بخشی از برنامه‌ی تحقق افزایش بازده فوتوسنتز «RIPE» بوده است. برنامه‌ی RIPE در واقع پروژه‌ی تحقیقاتی بین‌المللی است که طی آن محصولات غذایی به نحوی مهندسی می‌شوند تا فرآیند فوتوسنتز را با بازدهی بالاتری انجام دهند و در نتیجه، افزایشی پایدار در تولید غذا در کل جهان به‌وجود آید. این پروژه توسط بنیاد «بیل و ملیندا گیتس»، بنیاد تحقیقات غذا و کشاورزی «FFAR» و برنامه‌ی دولتی بریتانیا برای توسعه‌ی بین‌المللی «DFID» حمایت می‌شود.
طی فرآیند فوتوسنتز با استفاده از آنزیم روبیسکو، به‌عنوان پروتئینی که به وفور در گیاهان یافت می‌شود و نور خورشید، دی‌اکسیدکربن و آب با یکدیگر ترکیب شده و شکر تولید می‌شود. شکر تولیدی باعث رشد گیاه و تولید محصول آن می‌شود. هزاران سال است که روبیسکو قربانی می‌شود و جو غنی از اکسیژن تولید می‌کند. از آن‌جا که روبیسکو تمایزی بین مولکول‌های دی‌اکسیدکربن و اکسیژن قائل نیست، ۲۰ درصد مواقع به جای دی‌اکسیدکربن، مولکول‌های اکسیژن را جذب می‌کند و در نتیجه ترکیبی سمی تولید می‌کند که باید طی فرآیند تنفس نوری، بازیافت شود.
«پل سوث» متخصص زیست‌شناسی مولکولی و شاغل در پروژه‌ی RIPE در دانشگاه ایلینوی، می‌گوید: «تنفس نوری برخلاف فوتوسنتز است. در این فرآیند منابع و انرژی‌های ارزشمند گیاه که می‌توانست طی فرآیند فوتوسنتز به رشد گیاه و تولید محصول منتج شود، خرج می‌شود.»
تنفس نوری دارای ریشه‌ی پیچیده‌ای است که سه بخش در سلول گیاه در آن مشارکت دارند. دانشمندان مسیرهای جایگزینی را مهندسی کرده‌اند تا این فرآیند را مجدداً ریشه‌یابی کنند و جلوی آن‌را بگیرند تا از این طریق منابع لازم برای افزایش ۴۰ درصدی رشد گیاه را تحصیل کنند. این اولین باری است که مهندسی فرآیند تنفس نوری در دنیای واقعی بررسی می‌شود.
«استفان لانگ» رئیس پروژه‌ی RIPE و رئیس بخش گیاه‌شناسی دانشگاه ایلینوی، می‌گوید: «مانند کانال پاناما که به‌عنوان یک شاهکار مهندسی بازدهی تجارت را افزایش داده است، مهندسی فرآیند تنفس نوری نیز شاهکار مهندسی گیاهان است و وسیله‌ای منحصربه‌فرد برای افزایش بازدهی فوتوسنتز محسوب می‌شود.»
گروه محققین، سه راه جایگزین را برای عوض کردن مسیر اصلی مداری مهندسی کردند. آن‌ها برای بهینه کردن مسیرهای جایگزین، ساختارهای ژنتیکی با استفاده از مجموعه‌ای از تقویت‌کننده‌ها و ژن‌ها طراحی کردند و نقشه‌ی مسیر منحصربه‌فردی را ایجاد کردند و آن‌را بر روی ۱،۷۰۰ گیاه امتحان کردند تا بهترین عملکردها را در بین آن‌ها پیدا کنند. پس از دو سال مطالعه‌ی گیاهان مهندسی‌شده، دانشمندان دریافتند که سرعت توسعه‌ی این گیاهان بیشتر است، ارتفاع آن‌ها بیشتر است، جرم زیستی آن‌ها حدود ۴۰ درصد بیشتر است و اکثر آن‌ها دارای ساقه‌ای با اندازه‌ی حدود ۵۰ درصد بیشتر از گیاهان معمولی هستند.
گروه دانشمندان نظریه‌ی خود را بر روی توتون امتحان کردند؛ توتون مدل ایده‌آلی برای تحقیق است، زیرا اصلاح و انجام آزمایش بر روی آن به نسبت دیگر محصولات ساده‌تر است و همچنین برگ بسیار بزرگی دارد که می‌تواند راحت‌تر مورد آزمایش قرار گیرد. اکنون محققین در حال استفاده از این یافته‌ها برای افزایش بازده سویا، نخود فرنگی، برنج، سیب‌زمینی، گوجه فرنگی و بادمجان هستند.
«آماندا کاوانا» دانشجوی فوق دکتری دانشگاه ایلینوی و همکار پروژه‌ی RIPE، می‌گوید: «روبیسکو در صورت گرم‌تر شدن، برای تمایز بین دی‌اکسیدکربن و اکسیژن مشکلات بیشتری دارد و فرآیند تنفس نوری بیشتر رخ می‌دهد. هدف ما ساختن گیاهان بهتری است که بتوانند گرمای بیشتری جذب کنند و در آینده بتوانند برای تغذیه‌ی جهان، مثمر ثمر باشند.»
از آن‌جا که احتمالاً بیش از یک دهه طول می‌کشد تا این فناوری به صورت کاربردی بر روی محصولات کشاورزی مورد استفاده قرار گیرد، RIPE و حامیان آن متعهد هستند که کشاورزان آفریقایی و آسیایی به یافته‌های مطالعات آن‌ها دسترسی پیدا کنند.
نوشته: ScienceDaily
ترجمه: امید محمدی – مجله علمی ایلیاد
ترجمه: امید محمدی – مجله علمی ایلیاد