ومن المتوقع أن يحدث هذا التطوير ثورة في عمليات تحسين المحاصيل الزراعية
لأول مرة في العالم، نجح باحثون من جامعة تل أبيب في تطوير تقنية تتيح الكشف عن دور الجينات والصفات التي كانت مخفية حتى الآن. ويشير الباحثون إلى أنه منذ الثورة الزراعية، اعتاد الإنسان على تحسين أصناف النباتات للأغراض الزراعية من خلال خلق التنوع الوراثي. لكن حتى اليوم كان من الممكن فقط فحص وظائف 20% من الجينات (وهي جينات منفردة). بالنسبة لـ 80% من الجينات الأخرى (التي تم تجميعها في عائلات) لم تكن هناك طريقة فعالة، على نطاق واسع من الجينوم بأكمله، لمعرفة دورها في النبات.
ونتيجة لهذا التطور الفريد، تمكن فريق الباحثين من جامعة تل أبيب من عزل وتحديد العشرات من الميزات الجديدة التي تم التغاضي عنها حتى الآن. ومن المتوقع أن يحدث هذا التطور ثورة في عمليات تحسين المحاصيل الزراعية لأنه مناسب لتحسين معظم المحاصيل ومعظم الصفات الزراعية مثل زيادة المحصول أو مقاومة الجفاف أو الآفات. تم إجراء البحث تحت قيادة طالب ما بعد الدكتوراه الدكتور يانغزي هو، وبتوجيه من البروفيسور إيلون شاني والبروفيسور إيتاي ميروز. من كلية علوم النبات والأمن الغذائي في جامعة تل أبيب. كما شارك في الدراسة باحثون من فرنسا والدنمارك وسويسرا. ونشرت الدراسة في مجلة Nature Plants المرموقة.
استخدام تقنية كريسبر لتحرير الجينات
البروفيسور شاني: "منذ آلاف السنين، منذ الثورة الزراعية، اعتاد الإنسان على تحسين أصناف النباتات للأغراض الزراعية من خلال خلق التنوع الجيني. ولكن حتى سنوات قليلة مضت، لم يكن من الممكن التدخل بشكل مستهدف في التغيرات الجينية، ولكن فقط لتحديد وتشجيع السمات المرغوبة التي تم توليدها بشكل عشوائي. إن تطوير تقنيات تحرير الجينات يسمح الآن بإجراء تغييرات دقيقة في عدد كبير من النباتات."
وكجزء من البحث، استخدم فريق الباحثين تقنية "كريسبر" المبتكرة لتحرير الجينات وطرق من مجال المعلوماتية الحيوية وعلم الوراثة الجزيئية لتطوير طريقة جديدة لتحديد مواقع الجينات المسؤولة عن سمات محددة في النباتات.
ويوضح الباحثون أنه على الرغم من تطور تكنولوجيا التحرير الجيني، لا تزال هناك تحديات عديدة تحد من تطبيقها في الزراعة. إحداها هي الحاجة إلى التحديد الدقيق قدر الإمكان للجينات الموجودة في جينوم النبات المسؤولة عن سمة معينة نرغب في زراعتها. والطريقة المقبولة في هذا الأمر هي إنتاج الطفرات، أي تغيير الجينات بطرق مختلفة، ثم فحص التغير في النبات الناتج عن الحمض النووي المحتوي على الطفرة، والتعرف من ذلك على نشاط الجين.
وهكذا، على سبيل المثال، إذا تطور نبات ذو ثمار أكثر حلاوة، فيمكن معرفة أن الجين المتغير ضروري لتحديد حلاوة الفاكهة. لقد تم استخدام هذه الطريقة منذ عقود، وكانت ناجحة للغاية، ولكنها تعاني أيضًا من مشكلة أساسية: فالنبات المتوسط مثل الطماطم أو الأرز يحتوي على حوالي 30,000 ألف جين، لكن حوالي 80٪ منها لا تعمل بمفردها بل يتم تجميعها في مجموعات. عائلات من الجينات المماثلة. لذلك، إذا قمت بإتلاف جين واحد من عائلة جينية معينة، فهناك احتمال كبير أن يقوم جين آخر من نفس العائلة (في الواقع نسخة مشابهة جدًا للجين التالف) بإخفاء الضرر ويعمل بدلاً من الجين التالف. هذه الظاهرة، التي تسمى التكرار الجيني، تعني أننا على الأرجح لن نتمكن من إحداث تغيير في النبات نفسه، ولن نتمكن من فهم نشاط الجين وارتباطه بسمة معينة.
تحسين السيطرة على الطفرات من أجل التحسين
وسعت الدراسة الحالية إلى إيجاد حل لمشكلة التكرار الجيني في جميع أنحاء الجينوم، وذلك باستخدام طريقة مبتكرة لتحرير الجينات تسمى "كريسبر". يوضح البروفيسور ميروز: "تعتمد طريقة كريسبر على إنزيم يسمى Cas9 الموجود بشكل طبيعي في البكتيريا، والذي تتمثل وظيفته في قطع تسلسل الحمض النووي الغريب. يتم ربط تسلسل sgRNA بالإنزيم، والذي يحدد تسلسل الحمض النووي الذي يتعين على الإنزيم قطعه. تسمح لنا طريقة تحرير الجينات بتصميم تسلسلات sgRNA كما نرغب، بحيث يقوم Cas9 بقطع أي جين نريد تغييره تقريبًا. أردنا تطبيق هذه التقنية لتحسين السيطرة على خلق الطفرات في النباتات لأغراض التحسين الزراعي، وعلى وجه التحديد للتغلب على الصعوبة التي يشكلها التكرار الوراثي.
في المرحلة الأولى، تم إجراء دراسة المعلوماتية الحيوية على الكمبيوتر، والتي، على عكس معظم الدراسات في هذا المجال، غطت في البداية الجينوم بأكمله. واختار الباحثون التركيز على نبات الأرابيدوبسيس الذي يستخدم كنبات نموذجي في العديد من الدراسات ويحتوي على نحو 30,000 ألف جين. أولاً، قاموا بمسح حوالي 8,000 جين فردي، والتي ليس لها أفراد من العائلة، وبالتالي ليس لديها أيضًا نسخ إضافية في الجينوم لتكتسحها. تم تقسيم الجينات الـ 22,000 المتبقية إلى عائلات، وتم تصميم تسلسلات sgRNA المناسبة لكل عائلة حسابيًا: تم تصميم كل تسلسل sgRNA لقيادة إنزيم القطع Cas9 إلى تسلسل جيني محدد يميز العائلة بأكملها، بهدف خلق طفرات في جميع الجينات. أفراد الأسرة، بحيث لا يمكنهم التداخل مع بعضهم البعض. بهذه الطريقة، تم بناء مكتبة بلغ مجموعها حوالي 59,000 تسلسل sgRNA، مما يسمح بإتلاف 10-2 جينات في كل عائلة جينية في وقت واحد، وبالتالي تحييد ظاهرة التكرار الجيني بشكل فعال.
ترتيب الحدائق في المكتبات
بالإضافة إلى ذلك، تم تقسيم التسلسلات إلى 10 مكتبات فرعية تضم كل منها حوالي 6,000 تسلسل، وفقًا للدور المفترض للجينات - الجينات التي ترمز للإنزيمات، والمستقبلات، وبروتينات النسخ، وما إلى ذلك. وفقًا للباحثين، فإن بناء المكتبات هو أداة تسمح بالتركيز وتحسين البحث عن الجينات المسؤولة عن السمات المرغوبة، وهو البحث الذي كان حتى الآن عشوائيًا إلى حد كبير.
وفي الخطوة التالية، انتقل الباحثون من الكمبيوتر إلى المختبر. هنا قاموا بإنشاء جميع تسلسلات sgRNA البالغ عددها 59,000 والتي تم تحديدها بواسطة الطريقة الحسابية وهندستها في مكتبات بلازميدية جديدة (أي شرائح DNA دائرية) بالاشتراك مع إنزيم القطع. ثم أنشأ الباحثون آلاف النباتات الجديدة التي تحتوي على المكتبات، حيث يحتوي كل نبات على تسلسل sgRNA واحد موجه ضد عائلة جينية معينة.
وقد تابع الباحثون الظواهر التي تم اكتشافها في النباتات بعد التغيرات في الجينوم، وعندما لوحظت بعض السمات الجديدة في نبات معين، كان من السهل معرفتها، بناءً على تسلسل sgRNA الذي تم إدخاله فيه، والذي تم تغيير الجينات. كما أمكن من خلال تسلسل الحمض النووي للجينات التي تم تحديدها معرفة طبيعة الطفرة المسببة للتغير ومدى مساهمتها في خصائص النبات. وبهذه الطريقة، تم رسم خرائط للعديد من السمات الجديدة التي كانت محظورة حتى الآن بسبب التكرار الوراثي. وعلى وجه التحديد، حدد الباحثون بروتينات فريدة تشكل آلية تتعلق بنقل هرمون السيتوكينين، وهو أمر ضروري للتطور الطبيعي للنبات.
ويختتم البروفيسور شاني قائلاً: "من المتوقع أن تكون الطريقة الجديدة التي طورناها ذات فائدة كبيرة للأبحاث الأساسية لفهم الآليات في النباتات، ولكن أبعد من ذلك، فإن لها أهمية هائلة بالنسبة للزراعة: فهي تجعل من الممكن الكشف عن مجموعة من الكائنات بكفاءة ودقة. الجينات المسؤولة عن السمات التي نسعى إلى تحسينها - مثل مقاومة الجفاف أو الآفات أو الأمراض أو زيادة المحاصيل. نحن نؤمن بأن هذا هو مستقبل الزراعة: تحسين المحاصيل الخاضع للتحكم والموجه على نطاق واسع. واليوم نطبق الطريقة التي طورناها بنجاح كبير على نباتات الأرز والطماطم، ونعتزم في المستقبل تطبيقها على محاصيل أخرى أيضًا.
ولهذا الغرض قامت شركة تجارة التكنولوجيا التابعة لجامعة تل أبيب (راموت) بالتعاون مع مجموعة AgChimedes بتأسيس شركة DisTree. سيسمح الاستثمار المالي، إلى جانب الدعم التجاري والمهني لشركة Agchimedes، لشركة DisTree بتطبيق التكنولوجيا الجديدة على مجموعة متنوعة من المحاصيل، بهدف إحداث ثورة في علم الوراثة في عالم الزراعة، وتمكين الأمن الغذائي في عصر الزراعة. أزمة المناخ.
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
