تصور کنید که گاز زدن به یک گوجه‌فرنگی آبدار و خوشمزه یا پختن با یک بادمجان که نه‌تنها طعم بهتری دارد، بلکه بزرگ‌تر نیز هست. دانشمندان کشفی کرده‌اند که می‌تواند این رؤیا را به واقعیت تبدیل کند؛ آن‌ها ژن‌هایی را شناسایی کرده‌اند که اندازه میوه را کنترل می‌کنند.
محققان دانشگاه جانز هاپکینز (JHU) و آزمایشگاه کولد اسپرینگ هاربر (CSHL) توالی‌های ژنتیکی گوجه‌فرنگی و بادمجان را نقشه‌برداری کرده‌اند و این امر می‌تواند راه را برای توسعه گونه‌های جدید و بهبودیافته هموار کند.
یافته‌های آن‌ها که در مجله Nature منتشر شده است، می‌تواند کشاورزی را متحول کند، به‌ویژه در مناطقی که گونه‌های محلی بسیار کوچک هستند و برای تولید تجاری مناسب نیستند.
درک اصلاح ژنتیکی – مفاهیم اولیه
اصلاح ژنتیکی در گیاهان اساساً ارتقای طبیعت به کمک علم است. دانشمندان DNA گیاهان را تغییر می‌دهند تا آن‌ها را قوی‌تر، مغذی‌تر یا در برابر آفات و شرایط سخت مقاوم‌تر کنند.
به‌جای انتظار برای نسل‌ها تا اصلاح نژادی سنتی بتواند ویژگی‌های مطلوب را ایجاد کند، مهندسی ژنتیک این روند را تسریع می‌کند.
برای مثال، برخی محصولات اصلاح‌شده قادرند بدون نیاز به سموم دفع آفات، در برابر حشرات مقاومت کنند، در خاک‌های شور رشد کنند یا در شرایط خشکسالی زنده بمانند.
در این مورد خاص، اصلاح ژنتیکی گیاهان گوجه‌فرنگی، میوه‌های بزرگ‌تر و بهتری را به همراه خواهد داشت.
این فناوری قبلاً نیز کشاورزی را متحول کرده است و باعث افزایش کارایی و کاهش نیاز به استفاده از سموم شیمیایی شده که می‌توانند به محیط‌زیست آسیب برسانند.
تغییر کشاورزی با یک بذر
“وقتی ویرایش ژنتیکی انجام شد، تنها یک بذر کافی است تا یک انقلاب آغاز شود.” این گفته مایکل شاتز، متخصص ژنتیک در دانشگاه جانز هاپکینز و یکی از نویسندگان اصلی این مطالعه است.
“با دریافت مجوزهای لازم، می‌توانیم یک بذر مهندسی‌شده را به آفریقا یا هر جایی که نیاز است ارسال کنیم و بازارهای کشاورزی کاملاً جدیدی ایجاد کنیم. این پیشرفت‌ها می‌توانند تأثیرات واقعی در جهان داشته باشند.”
این مطالعه بخشی از یک پروژه گسترده‌تر برای نقشه‌برداری از ژنوم کامل ۲۲ گیاه از خانواده بادنجانیان است که شامل گوجه‌فرنگی، سیب‌زمینی و بادمجان می‌شود.
محققان از تجزیه‌وتحلیل‌های رایانه‌ای برای مقایسه نقشه‌های ژنتیکی و بررسی نحوه تکامل ژن‌ها استفاده کردند. آن‌ها دریافتند که بیش از نیمی از این ژن‌ها در طول زمان دچار تکثیر شده‌اند.
ردیابی تغییرات ژنتیکی در طول زمان
“در طول ده‌ها میلیون سال، همواره یک جریان مداوم از توالی‌های DNA اضافه یا حذف شده وجود داشته است.” شاتز این‌گونه توضیح می‌دهد.
“همین فرآیند برای توالی‌های ژنی نیز رخ می‌دهد، جایی که کل ژن‌ها ممکن است تکثیر شوند یا از بین بروند. وقتی شروع به بررسی این تغییرات کردیم، متوجه شدیم که این تغییرات بسیار گسترده هستند، اما هنوز نمی‌دانستیم چه معنایی برای گیاهان دارند.”
برای پاسخ به این سؤال، محققان در مؤسسه بویس تامسون از فناوری CRISPR-Cas9 برای ویرایش این ژن‌ها استفاده کردند. سپس دانشمندان در آزمایشگاه کولد اسپرینگ هاربر گیاهان مهندسی‌شده را پرورش دادند تا نتایج را مشاهده کنند.
ژن‌های تکثیرشده که به‌عنوان پارالوگ شناخته می‌شوند، برای ویژگی‌هایی مانند اندازه میوه، شکل و زمان گل‌دهی بسیار مهم بودند.
در یک آزمایش، محققان هر دو نسخه از ژنی به نام CLV3 را در گیاه بادنجان جنگلی که بومی استرالیا است، غیرفعال کردند.
نتیجه این بود که میوه‌های “نامنظم، پر از برآمدگی‌های عجیب و به‌هم‌ریخته” تولید شد که برای فروش در فروشگاه‌های مواد غذایی مناسب نبودند. اما زمانی که فقط یکی از نسخه‌های ژن تغییر داده شد، گیاهانی با میوه‌های بزرگ‌تر به دست آمدند.
نقشه گنج ژنتیکی برای گوجه‌فرنگی
“داشتن توالی‌های کامل ژنوم برای این گونه‌ها مانند داشتن یک نقشه گنج جدید است.” این جمله را کاترین جنیک، که در آزمایشگاه شاتز به‌عنوان دانشجوی دکتری روی توالی‌یابی ژنوم کار کرده، بیان می‌کند.
“ما می‌توانیم ببینیم که یک مسیر ژنتیکی کجا و چگونه از مسیر دیگر جدا شده است و سپس آن نقطه را در اطلاعات ژنتیکی بررسی کنیم، جایی که قبلاً به آن توجه نمی‌کردیم. این روش به ما اجازه داد تا ژن‌های تعیین‌کننده اندازه را در مکانی غیرمنتظره پیدا کنیم.”
یکی از هیجان‌انگیزترین اکتشافات مربوط به بادمجان آفریقایی بود، محصولی که در سراسر آفریقا و برزیل کشت می‌شود. دانشمندان ژنی به نام SaetSCPL25-like را شناسایی کردند که تعداد حفره‌های بذر (locules) داخل میوه را کنترل می‌کند.
وقتی این ژن در گوجه‌فرنگی ویرایش شد، مشخص شد که افزایش تعداد حفره‌های بذر منجر به تولید گوجه‌فرنگی‌های بزرگ‌تر می‌شود.
گوجه‌فرنگی، بادمجان و ژن‌ها
این یافته‌ها نشان می‌دهند که ویرایش ژنتیکی کنترل‌شده می‌تواند به تولید گوجه‌فرنگی و بادمجان‌های بزرگ‌تر و مناسب‌تر برای بازارهای تجاری منجر شود.
“این تحقیق نشان می‌دهد که مطالعه گونه‌های مختلف در کنار هم چقدر اهمیت دارد. ما دهه‌ها تحقیقات در زمینه ژنتیک گوجه‌فرنگی را به کار گرفتیم تا بادمجان آفریقایی را سریع‌تر اصلاح کنیم و در این مسیر، ژن‌های کاملاً جدیدی را در بادمجان آفریقایی پیدا کردیم که متقابلاً در بهبود گوجه‌فرنگی هم مؤثر بودند.” شاتز این‌گونه توضیح می‌دهد.
“ما این رویکرد را پان-ژنتیک می‌نامیم و این روش فرصت‌های بی‌پایانی را برای افزودن میوه‌ها، غذاها و طعم‌های جدید به سفره‌های مردم سراسر جهان ایجاد می‌کند.”
آینده گیاهان گوجه‌فرنگی و ویرایش ژنتیکی
فراتر از افزایش اندازه میوه، این تحقیق پیامدهای گسترده‌تری برای کشاورزی جهانی دارد.
در بسیاری از نقاط جهان، کشاورزان با محصولات کم‌بازده مواجه‌اند که برای کشاورزی در مقیاس بزرگ مناسب نیستند.
با ویرایش ژنتیکی، دانشمندان می‌توانند گیاهان را برای محیط‌های خاص تنظیم کنند و آن‌ها را در برابر تغییرات آب‌وهوا، آفات و بیماری‌ها مقاوم‌تر سازند.
محققان امیدوارند که با استفاده از ابزارهای پیشرفته ژنتیکی، محصولاتی ایجاد کنند که نه‌تنها بزرگ‌تر شوند، بلکه به منابع کمتری مانند آب و کود نیاز داشته باشند.
این کار می‌تواند کشاورزی را پایدارتر کرده و اثرات زیست‌محیطی آن را کاهش دهد.
مطالعات آینده ممکن است بر بهبود طعم، ارزش غذایی و ماندگاری محصولات متمرکز شوند، تا این گونه‌های جدید نه‌تنها برای کشاورزان مفید باشند، بلکه گزینه‌های غذایی بهتری را نیز برای مصرف‌کنندگان فراهم کنند.
مطالعه کامل در مجله Nature منتشر شده است.
