کشف ژن پنهان توتفرنگی که میوه را شیرینتر و غنیتر میکند
دستهای کمتر شناختهشده از ژنهای گیاهی وجود دارد که زیستشناسان معمولاً آنها را مانند نویز پسزمینه در نظر میگیرند.
این ژنها به عنوان «ژنهای خانهدار» شناخته میشوند؛ ژنهایی که وظیفه دارند عملکرد سلولها را حفظ کنند.
دانشمندان تصور میکردند این ژنها نقش فعالی ندارند، همیشه روشن هستند، همیشه یک کار تکراری انجام میدهند، در نتیجه برای مهندسان متابولیک تقریباً نامرئی محسوب میشوند.
اما یک تیم تحقیقاتی تصمیم گرفت این فرضیه رایج را آزمایش کند. آنها ژنی از توتفرنگی جنگلی را انتخاب کردند که تقریباً هیچ جایگاهی در پژوهشهای مربوط به طعم یا ارزش غذایی نداشت.
آنها فعالیت این ژن را حدود ۵۰ برابر افزایش دادند، سپس واکنش میوه را بررسی کردند.
ژن غیرمنتظرهای که دانشمندان را شگفتزده کرد
ژن مورد بررسی FveIPT2 نام دارد. این ژن به گروهی تعلق دارد که بسیاری از زیستشناسان عملاً آن را نادیده گرفتهاند.
پژوهشگران معمولاً ژنهای خانهدار را فقط زمانی مطالعه میکنند که عملکردشان مختل شود؛ وضعیتی که اغلب به مرگ سلول منجر میشود.
در غیر این صورت، این ژنها به عنوان بخشهای عادی سیستم سلولی کنار گذاشته میشوند. هورمونهای گیاهی سیتوکینین که مسئول رشد، شاخهزایی، گلدهی هستند نیز تقسیمبندی مشابهی دارند.
برخی از آنزیمهایی که این هورمونها را تولید میکنند، مستقیماً رشد گیاه را کنترل میکنند. اما گروه دیگری از آنها، از جمله FveIPT2، ظاهراً فقط وظایف پسزمینه را انجام میدهند.
دکتر لیجون گان از دانشگاه کشاورزی نانجینگ این پروژه را همراه با دکتر یی لی از دانشگاه کانکتیکات هدایت کرد.
افزایش چشمگیر فعالیت ژن در توتفرنگی
تیم تحقیقاتی گیاهان توتفرنگیای تولید کرد که ژن FveIPT2 را بیشازحد بیان میکردند. این موضوع باعث شد فعالیت ژن بسیار بیشتر از حالت طبیعی شود.
دو خط اصلاحشده در کنار گیاهان وحشی و در شرایط یکسان مورد آزمایش قرار گرفتند.
در یکی از خطوط، فعالیت ژن حدود هشت برابر بیشتر از نمونههای کنترل بود. در خط دیگر، این فعالیت به نزدیک ۴۹ برابر رسید؛ سطحی بسیار فراتر از چیزی که در گیاه طبیعی دیده میشود.
سپس پژوهشگران منتظر ماندند تا گیاهان رشد کنند. گلدهی طبق زمان طبیعی انجام شد، تشکیل میوه نیز کاملاً عادی بود.
از نظر ظاهری، هیچ تفاوتی میان گیاهان اصلاحشده و گیاهان وحشی دیده نمیشد.
میوهای غنیتر بدون کاهش عملکرد
اولین شگفتی مربوط به اتفاقی بود که رخ نداد. در بررسیهای ۴۰ روزه، سپس ششماهه، گیاهان اصلاحشده از نظر اندازه و ظاهر کاملاً مشابه نمونههای طبیعی بودند.
وزن هر میوه، ابعاد توتها، میزان قند نیز بدون تغییر باقی ماند.
اما شگفتی دوم زمانی آشکار شد که تیم تحقیقاتی ترکیبات شیمیایی میوه را اندازهگیری کرد. میزان کل آنتوسیانینها در خطی که فعالیت ژن بیشتری داشت، ۳۴ درصد افزایش یافت.
مقدار فلاونوئیدها، ترکیبات فنولی نیز همزمان افزایش پیدا کرد. رنگ میوهها نیز کمی قرمز تیرهتر شد.
نکته مهم این بود که این افزایشها بدون کاهش رشد یا افت شیرینی میوه اتفاق افتاد. ترکیب «آنتیاکسیدان بیشتر، عملکرد مشابه، شیرینی ثابت» نتیجهای غیرمنتظره محسوب میشد.
افزایش انفجاری آنتوسیانینها در توتفرنگی
دادههای متابولیتی نشان دادند که تأثیر این ژن بسیار بزرگتر از تصور اولیه بوده است. از میان ۱۰۵۸ ترکیب شناساییشده در میوه رسیده، نزدیک به ۷۰۰ ترکیب بین گیاهان اصلاحشده و وحشی تفاوت داشتند.
۹ نوع آنتوسیانین خاص بهطور چشمگیری افزایش یافتند. میزان سیانیدین کلراید به ۱۸ برابر سطح طبیعی رسید.
نوع دیگری از سیانیدین تقریباً ۱۰ برابر بیشتر بود. پلارگونیدین کلراید نیز نزدیک به هفت برابر افزایش داشت.
این ترکیبات فقط رنگدانه نیستند. آنتوسیانینها آنتیاکسیدانهای مهمی هستند که برخی پژوهشها آنها را با کاهش خطر بیماریهای قلبیعروقی، بیماریهای تحلیل عصبی مرتبط میدانند.
ژنهایی که مسئول تولید این ترکیبات هستند، همچنین تنظیمکنندههایی که مسیر ساخت آنها را فعال میکنند، در میوههای اصلاحشده فعالیت بیشتری داشتند.
رایحه شیرینتر با کاهش بوی رزینی
رنگ زیبا همه ماجرا نیست، زیرا بخش مهمی از شهرت توتفرنگی به رایحه آن مربوط میشود.
از میان ۴۷ ترپنوئید اندازهگیریشده، ۲۴ مورد افزایش پیدا کردند. بیشترین جهشها بیش از ۱۰ برابر بودند.
لینالول، ترکیبی که رایحه شیرین و گلی توتفرنگی را ایجاد میکند، افزایش چشمگیری داشت.
در مقابل، ترکیب آلفا-پینن که بوی رزینی شبیه تربانتین ایجاد میکند و معمولاً در توتهای کمکیفیت دیده میشود، کاهش محسوسی پیدا کرد.
پژوهشهای قبلی روی گوجهفرنگی نشان داده بودند که میتوان با مهندسی متابولیک میزان لینالول را افزایش داد، اما فقط رایحه تغییر میکرد، نه رنگدانهها. این تیم تحقیقاتی هر دو ویژگی را تنها با دستکاری یک ژن بهبود داد.
مسیر زیستی پنهانی که دانشمندان انتظارش را نداشتند
پژوهشگران انتظار داشتند این تغییرات از مسیر معمول سیگنالدهی سیتوکینین ایجاد شوند، اما نتایج چیز دیگری نشان داد.
در حالت طبیعی، این مسیر باید ژنهای شاخصی را فعال میکرد که هنگام فعال شدن هورمونهای سیتوکینین روشن میشوند.
اما زمانی که دانشمندان این ژنها را اندازهگیری کردند، متوجه شدند فعالیت آنها کاهش یافته است.
این موضوع نشان میدهد FveIPT2 احتمالاً از مسیری متفاوت عمل میکند و مسیر هورمونی رایج عامل اصلی این تغییرات نیست.
وظیفه اصلی این ژن به نگهداری پایهای سلول مربوط میشود؛ فرایندی که مولکولهای دخیل در ساخت پروتئین را تنظیم میکند.
احتمال دارد همین نقش خانهداری سلولی، شیمی میوه را از طریق مکانیسمی کنترل کند که کاملاً مستقل از سیگنالدهی هورمونی کلاسیک است.
آیا این فناوری به توتفرنگیهای تجاری میرسد؟
این آزمایشها روی توتفرنگی جنگلی انجام شدند؛ گیاهی که بیشتر برای تحقیقات آزمایشگاهی پرورش داده میشود، نه تولید تجاری.
هنوز مشخص نیست همین اثر در ارقام تجاری مختلف توتفرنگی نیز دیده میشود یا نه.
همچنین هنوز دقیقاً روشن نشده FveIPT2 چگونه این تغییرات شیمیایی را ایجاد میکند.
پژوهشگران مسیر هورمونی آشکار را رد کردهاند، اما هنوز عامل اصلی این تغییرات را بهطور کامل شناسایی نکردهاند.
اهرم ژنتیکی تازه برای تولید میوههای باکیفیتتر
برای نخستینبار، مشخص شده یک ژن خانهدار از این نوع میتواند ترکیب شیمیایی میوه را بدون آسیب به رشد گیاه بهبود دهد.
دکتر گان گفت: «با هدف قرار دادن یک ژن از نوع tRNA بهجای تنظیمکنندههای کلاسیک هورمونی، توانستیم رنگ، رایحه، ترکیبات غذایی میوه را بدون مشکلات رشد که معمولاً در مهندسی متابولیک دیده میشود، بهبود دهیم.»
این یافته ابزار جدیدی در اختیار اصلاحکنندگان گیاه قرار میدهد. برنامههای اصلاح توتفرنگی که به دنبال رنگ تیرهتر، رایحه غنیتر، آنتیاکسیدان بیشتر هستند، دیگر مجبور نیستند کاهش عملکرد محصول را بپذیرند.
اگر ژنهای مشابه در سیب، هلو، انگور نیز عملکرد مشابهی داشته باشند، دامنه کاربرد این فناوری بسیار گستردهتر خواهد شد.
ژنهایی که زمانی بیاهمیت تلقی میشدند، ممکن است در آینده به ارزشمندترین اهداف اصلاح ژنتیکی در علم میوه تبدیل شوند.
نتایج این پژوهش در نشریه Horticulture Research منتشر شده است.
جمعبندی
پژوهش جدید نشان میدهد یک ژن پنهان در توتفرنگی میتواند بدون کاهش عملکرد، رنگ، رایحه، آنتیاکسیدانهای میوه را افزایش دهد و مسیر تازهای برای اصلاح محصولات کشاورزی باز کند.
یک ژن ناشناخته در توتفرنگی میتواند میوهای شیرینتر، خوشرنگتر، مغذیتر تولید کند. آینده کشاورزی شاید از همین کشف کوچک آغاز شود.
اگر به تازهترین کشفیات علمی، فناوریهای غذایی، آینده کشاورزی علاقه دارید، مطالب بعدی ما را دنبال کنید.
