مع تطور القدرة على تعديل الجينات، طور الباحثون في مجال النبات طرقًا أفضل لاستخدام أدواتهم الجزيئية داخل الخلايا.
يمكن تحسين إنتاجية المحاصيل وكفاءة استخدام المياه من خلال استخدام تقنيات أفضل لتحرير الحدائق. عندما اجتمع مهندسون زراعيون من جميع أنحاء العالم في لندن في نهاية شهر أكتوبر، كانت أهدافهم البحثية طموحة: تطوير أرز يستخدم المياه بشكل أكثر كفاءة، وحبوب تحتاج إلى سماد أقل، وكسافا تقوم بعملية التمثيل الضوئي في وضع "التربو".
لقد أغرقها المشاركون في ورشة العمل، وعددهم 150 شخصًا، بأفكار وفيرة حول الأدوات الجزيئية. وبفضل التقدم في أتمتة البيولوجيا التركيبية، تفاخرت العديد من المشاريع بوجود ما يزيد على ألف جين تم تصميمه باستخدام أدوات جزيئية أخرى، لكنها فشلت في كثير من الأحيان في تحقيق هدفها. إن الأساليب القديمة لإنتاج نباتات ذات جينات شخصية - وهي عملية تعرف باسم التحول - مرهقة وبطيئة.
وفقًا لجايلز أولدرويد من مركز جون إينيس في نورويتش بالمملكة المتحدة، فإن الشيء الأكثر أهمية هو تحسين تحويل النبات. ويتساءل دان وايت، عالم الأحياء النباتية بجامعة مينيسوتا في سانت بول: "لدينا مواد كيميائية قوية، ولكن كيف يمكننا إدخالها إلى الخلايا؟"
في قلب المناقشة هناك مشكلة عمرها عقود من الزمن: من الصعب تغيير جينوم النبات ثم تجديد النبات بأكمله من عدد قليل من الخلايا المتحولة. إن تقنيات تحرير الجينات، مثل كريسبر-كاس9، تعمل اليوم على تمكين هندسة المحاصيل الأكثر تطورا على الإطلاق، الأمر الذي يجعل الأمر أكثر إحباطا عندما يواجه الباحثون عقبة قديمة.
وفي الثامن والعشرين من سبتمبر/أيلول، أعلنت مؤسسة العلوم الوطنية الأمريكية (NSF) عن خطوات للتغلب على هذا الإحباط عندما أعلنت أنها ستمول الأبحاث الرامية إلى التوصل إلى طرق تحويل أفضل. وهذا هو أحد المجالات الأربعة التي سيتم التركيز عليها في برنامج أبحاث الجينوم النباتي الذي سيحصل على ميزانية قدرها 28 مليون دولار.
يقول نيل ستيوارت، عالِم الأحياء النباتية بجامعة تينيسي، نوكسفيل، الذي شارك في تنظيم ورشة عمل مؤسسة العلوم الوطنية حول تعديلات النبات، التي انعقدت في نوفمبر: "يتفق الجميع على أن هذا هو عنق الزجاجة حقًا لهندسة الجينوم". "وأعتقد أن هناك اهتمامًا كافيًا الآن لمحاولة التوصل إلى طرق لحل المشكلة على الأقل بالنسبة للمحاصيل الرئيسية."
يمكن تعديل النباتات العنيدة مثل الصدري الأبيض المستخدم كنوع من الفئران المختبرية للنباتات وراثيًا باستخدام بكتيريا يمكنها زرع جينات جديدة. يقوم الباحثون بإدخال الجينات التي يريدون اختبارها في البكتيريا (Agrobacterium tumefaciens)، ثم يقنعون البكتيريا بإصابة الخلايا التناسلية للنبات. وعندما يتكاثر النبات، فإن بعض النسل يعبر عن الجينات الجديدة.
ولكنها لا تعمل في العديد من المحاصيل، واستخدام البكتيريا الزراعية يتطلب اختبارات إضافية من الوكالات الحكومية مثل وزارة الصحة الأمريكية لأنها يمكن أن تجعل النبات ضارًا. وكبديل، يمكن للباحثين استخدام "مسدسات الحديقة" المصنوعة من حبات الذهب المطلية بالحمض النووي للخلايا النباتية. هذه الخلايا المغمورة بهرمونات النمو هي سبب التجدد الكامل للنبات. تستجيب بعض النباتات، مثل الذرة، بشكل جيد لهذا العلاج. والبعض الآخر، مثل القمح والذرة الرفيعة، لا يفعل ذلك.
في الأورام المتمردة، قد تستغرق العملية أشهرًا من العمل الدقيق في زراعة الخلايا - تحسين ظروف النمو وتركيزات الهرمون - للتجديد الكامل. قد تختلف الظروف اللازمة للنجاح ليس فقط بين أنواع المحاصيل المختلفة ولكن أيضًا بين النباتات من نفس النوع.
يقول جويس فان إيك، أحد هؤلاء الخبراء في جامعة كورنيل في إيثاكا، نيويورك: "إن الخبراء في مجال تحويل النباتات هم سلالة نادرة". وقالت في ورشة عمل في لندن: "هناك الكثير من الفن في ما نقوم به". "من الصعب العثور على أشخاص مدربين. أضف إلى ذلك نقص التمويل للطرق الجديدة، ويضطر الباحثون إلى الاعتماد على تقنيات عمرها عقود من الزمن.
قام ستيوارت وشركاؤه بتطوير روبوت يقوم بعملية تعرف باسم التحول البلاستيكي البدائي بسرعة أكبر وبدقة أكبر مما هو ممكن يدويًا. وتستخدم هذه الطريقة الإنزيمات لهضم جدار الخلية، مما يسهل على الباحثين إدخال جينات جديدة. لكن مشكلة تجديد المصنع بأكمله ظلت كما هي. استخدم الباحثون نهجًا مشابهًا، دون الحاجة إلى الروبوتات، لتحرير نظام تحرير الجينات CRISPR-Cas9 في مجموعة متنوعة من النباتات، بما في ذلك الخس والأرز.
خطوات زراعة الخلايا لا تزال صعبة. يقول ستيوارت إن أحد الأشخاص في مختبره كان يعمل لسنوات دون جدوى لتحسين عشب طويل يستخدمه في أبحاث الوقود الحيوي. ومع ذلك، فإن انخفاض تكلفة الإنزيمات يسمح للباحثين بإجراء المزيد من التجارب، كما تعمل الروبوتات على تحسين الإنتاجية.
ويبحث آخرون، مثل فريدي ألتبيتر من جامعة فلوريدا في جينسفيل، عن مجموعة من الجينات التي، عند تشغيلها أو إيقافها، ستتسبب في حدوث تحول وتجديد في الخلايا النباتية. ويقول: "أعتقد أن هذا سيؤدي إلى تطبيق أوسع لهذه التكنولوجيا، مما يسمح للأشخاص الذين ليسوا خبراء في زراعة الخلايا بإجراء هذه التحسينات".
لكن الباحثين لا يستطيعون انتظار هذه التطورات، كما يقول أولدرويد. ويقوم مشروعه، الذي يهدف إلى تطوير الحبوب التي تستخدم النيتروجين من التربة بشكل أكثر كفاءة، باختبار مئات الجينات المحورة باستخدام الطرق القديمة والمرهقة. ويقول: "علينا فقط التحلي بالصبر".
إلى المقال في الطبيعة
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
