انقلاب در کشاورزی: بذرهای بدون جنس و آینده‌ای با محصولات یکنواخت و پربازده

آغاز آزمایش‌های میدانی در استرالیا

از ماه آینده، آزمایش محصول مقاوم سورگوم (ذرت خوشه‌ای) زیر پوشش محافظ مشبکی در شرق استرالیا آغاز خواهد شد. این گیاهان در ظاهر عادی به نظر می‌رسند، اما در ژن‌هایشان یک انقلاب نهفته است. در صورت موفقیت این آزمایش، هر گیاه فرآیند تولیدمثل جنسی را دور زده و هزاران کلون (نسخه یکسان) در هر خوشه بذر تولید خواهد کرد.

آزمایش سورگوم های‌گین (Hy-Gain) نتیجه دهه‌ها تلاش آنا کولتونوف در دانشگاه کوئینزلند است که تحقیقات خود را برای تولید «بذرهای بدون جنس» از اوایل دهه ۱۹۹۰ آغاز کرد. این فناوری از ویژگی طبیعی نامیختگی یا اپومیکسیس (apomixis) بهره می‌برد.

بیش از ۳۰۰ گونه گیاه گلدار به‌طور طبیعی بذرهای کلونال تولید می‌کنند، اما هیچ‌کدام از آن‌ها از غلات مهم نیستند. پژوهشگران می‌گویند تلاش برای وارد کردن ویژگی اپومیکسی به گیاهانی مانند سورگوم، برنج و ذرت اکنون در آستانه دگرگون کردن کشاورزی است.

اپومیکسیس یا تولید بذر بدون لقاح، روشی است که به گیاه اجازه می‌دهد کلون‌های ژنتیکی خود را از طریق بذر تکثیر کند.

کولتونوف معتقد است تحقیقاتش می‌تواند به کشاورزان کوچک در آفریقای جنوب صحرا امکان دسترسی به سورگوم و لوبیا با عملکرد بالا و ارزان قیمت را بدهد. این کشاورزان می‌توانند بذرهای کلونال را برای چند سال بعد نیز ذخیره کرده و کاشت کنند که هزینه‌ها را به شدت کاهش می‌دهد. همین دلایل باعث شده تحقیق او از سوی بنیاد گیتس حمایت شود.

شرکت چندملیتی Corteva Agriscience نیز یکی دیگر از همکاران پروژه سورگوم های‌گین است. اپومیکسی می‌تواند برای شرکت‌های تولیدکننده بذر مفید باشد، زیرا زمان لازم برای تولید واریته‌های جدید را کاهش داده و صفات مطلوب را در گیاهانی که کلون خود را تولید می‌کنند، تثبیت می‌کند.

تولید بذر کلونال آماده بازار اکنون در تعداد کمی از گونه‌ها، از جمله برنج در دسترس است. در چند سال گذشته، درخواست‌های ثبت اختراع متعددی برای انواع گیاهان دارای خصوصیت اپومیکسی به ثبت رسیده است. با‌این‌حال، پژوهشگران می‌گویند هنوز چند مانع کلیدی وجود دارد که باید پیش از کاربرد عملی برطرف شود.

تثبیت قدرت هیبرید و عملکرد بالا

ورود بذرهای بدون جنس می‌تواند کشاورزی، به ویژه تولید بذر هیبریدی را متحول کند. برای برخی از محصولات اصلی مانند ذرت، برنج و گوجه‌فرنگی، کشاورزان نسل‌هاست بذر هیبریدی می‌کارند.

وقتی دو گونه والد از طریق تولید مثل جنسی ترکیب می‌شوند، محصول هیبرید معمولاً بیشتر از هر دو والد رشد و عملکرد دارد. به این پدیده قدرت هیبرید (hybrid vigour) می‌گویند. بین سال‌های ۱۹۳۰ تا اواسط دهه ۱۹۹۰، عملکرد ذرت در آمریکا هفت برابر شد که بخشی از آن به دلیل کاشت بذر هیبریدی بود.

ژن‌های کلیدی مانند MiMe و BBM ابزار اصلی دانشمندان برای حذف میوز و تحریک تشکیل جنین بدون اسپرم هستند.

اما تولید بذر هیبریدی زمان‌بر، پرهزینه و دشوار است و هر سال باید بذر جدید خریداری شود، زیرا اگر هیبریدها رها شوند تا خودشان گرده‌افشانی کنند، محصول غیریکنواخت و با کیفیت متغیر تولید می‌کنند.

به کمک اپومیکسی، قدرت هیبریدی «تثبیت» می‌شود، زیرا هیبریدها خودشان کلون تولید می‌کنند و به پرورش‌دهندگان و کشاورزان منبع بی‌پایانی از گیاهان یکسان و با کیفیت بالا می‌دهند. این روش همچنین می‌تواند در تولید گندم و سویا که تولید هیبرید در آن‌ها دشوار است، مفید باشد و صفات ممتاز از نسلی به نسل بعد منتقل شوند.

تاریخچه تحقیقات اپومیکسیس

در دهه ۱۹۴۰، پژوهشگران متوجه شدند اپومیکسی پایه ژنتیکی دارد. اما در دهه ۱۹۹۰، کولتونوف و دیگران دریافتند اپومیکسی یا تولید بذر بدون جنس، تولیدمثل جنسی گیاه را کاملاً حذف نمی‌کند، بلکه مسیر آن را تغییر می‌دهد.

اولی گروسنیکلاس، ژنتیکدان گیاهی دانشگاه زوریخ می‌گوید: «در این مسیر دو نوآوری لازم است: تقسیم سلولی در تشکیل سلول‌های تخمک و اسپرم باید مختل شود و جنین باید مستقل از لقاح شکل گیرد.» تیم او آزمایش‌های متعددی انجام داد تا گیاهان جهش‌یافته‌ای ایجاد کند که این تغییرات را نشان دهند.

در سال ۲۰۰۹، پژوهشگران موفق شدند فرآیند تقسیم سلولی جنسی (میوز) را مختل کنند تا مانند گیاهانی شوند که به‌طور طبیعی دارای ویژگی اپومیکسی هستند. رافائل مرسیه، ژنتیکدان گیاهی در فرانسه، ژنی را شناسایی کرد که یکی از سه نوآوری مهم تکامل میوز را کنترل می‌کند و آن را همراه با دو ژن دیگر تغییر داد تا ببینند که آیا میوز می‌تواند دوباره به میتوز تبدیل شود.

در گل‌های حاصل از جهش سه‌گانه معروف به MiMe، سلول‌های اسپرم و تخمک تعداد کروموزوم مشابه والدین را داشتند و از طریق میتوز تولید شده بودند. مرسیه بلافاصله پتانسیل MiMe را برای مهندسی اپومیکسی در گیاهان تشخیص داد و آن را در برنج (۲۰۱۶) و گوجه‌فرنگی (۲۰۲۴) دنبال کرد.

آپومیکسیس نه‌تنها هزینه و زمان تولید بذر هیبریدی را کاهش می‌دهد، بلکه به کشاورزان امکان می‌دهد بذرهای باکیفیت را برای سال‌های متمادی ذخیره کنند.

با‌این‌حال، گیاهان MiMe مقدار کروموزوم مضاعفی دریافت می‌کردند و هر نسل باروری کمتر می‌شد، بنابراین تنها بخشی از معمای اپومیکسی حل شد.

گروسنیکلاس و تیمش جایگزینی برای MiMe در ذرت پیدا کردند. با بررسی ۶۰,۰۰۰ جهش‌یافته، ژنی به نام nrf4 شناسایی شد که وقتی عملکرد آن مختل شود، حدود یک‌سوم تخمک‌ها به جای میوز، از طریق میتوز تشکیل می‌شوند. این کار منجر به ایجاد اولین بذر کلونال در یک گونه محصول با استفاده از جهش nrf4 شد و ثبت اختراع آن نیز انجام شد.

تولد بدون لقاح

دومین مولفه حیاتی اپومیکسی، تولید جنین بدون لقاح است، به‌طوری که جنین مستقیماً از سلول تخمک و بدون نیاز به اسپرم شکل می‌گیرد.

در سال ۲۰۰۶، پگی اوزیاس-آکینز، ژنتیکدان مولکولی دانشگاه جورجیا و همکارانش روی نوعی علف تک‌لپه‌ای از خانواده غلات (Cenchrus squamulatus) که به طور طبیعی دارای ویژگی اپومیکسی بود، تمرکز کردند و آن را به عنوان نامزد مناسب برای یافتن ژن اپومیکسی بررسی کردند.

ژنی که آن‌ها شناسایی کردند، مشابه BABY BOOM (BBM) بود که می‌تواند بافت گیاهی را تحریک کند تا به طور خودجوش جنین تولید کند. اما حدود یک دهه طول کشید تا گروه اوزیاس-آکینز نقش این ژن را در اپومیکسی تأیید کنند. آن‌ها ژن علف مذکور را وارد ارزن مرواریدی کردند (گیاهی که به طور جنسی تکثیر می‌شود) و مشاهده کردند که جنین‌ها بدون لقاح به طور خودکار شکل گرفتند.

ونکوته‌سان سوندارسان، زیست‌شناس متخصص در زمینه تولیدمثل گیاهان در دانشگاه کالیفرنیا، دیویس، از زاویه‌ای کاملاً متفاوت روی ژن BBM کار می‌کرد. گروه او به دنبال ژن‌هایی بود که در انتقال حیاتی از تخمک غیرلقاح‌یافته به تخمک بارور که می‌تواند به جنین تبدیل شود، فعال هستند.

تیم سوندارسان که روی گیاه برنج کار می‌کرد، RNA را از سلول‌های تخمک در ساعات پس از گرده‌افشانی استخراج کرد و متوجه فراوانی بالای RNA ژن BBM در این سلول‌ها شد. آن‌ها نشان دادند که BBM به عنوان محرک تولید جنین عمل می‌کند و نسخه فعال این ژن توسط اسپرم به سلول تخمک منتقل می‌شود. آن‌ها نسخه‌ای از ژن BBM را وارد تخمک کردند و آن را فعال کردند. با این تکنیک، تیم تولید جنین بدون استفاده از اسپرم را آغاز کرد.

ترکیب همه عناصر

بعد از این‌که سوندارسان در سال ۲۰۱۶ درباره‌ی کار روی برنج MiMe اطلاع پیدا کرد، با مرسیه تماس گرفت تا برای ترکیب کردن MiMe و ژن BBM همکاری کنند. آن‌ها ژن‌های MiMe را در برنجی که ژن BBM فعال در سلول تخمک داشت، ویرایش کردند. با این کار، آن‌ها به هدف دیرینه‌ی این حوزه رسیدند: یعنی ساختن گیاهی که بتواند کلون‌هایی از خودش تولید کند. هرچند کارایی پایین بود و فقط حدود ۱۰ تا ۳۰ درصد بذرها کلونال بودند، این پژوهش نشان داد ترکیب دو عنصر اصلی اپومیکسی در گیاه زراعی ارزشمند امکان‌پذیر است.