دانشمندان همواره در جستجوی روش‌هایی برای افزایش بازده محصولات کشاورزی، بهبود کیفیت مواد غذایی و سرعت‌بخشیدن به اصلاح نژاد گیاهان هستند. روش‌های سنتی اصلاح ژنتیکی ممکن است سال‌ها یا حتی دهه‌ها طول بکشد تا گونه‌های جدیدی از محصولات با ویژگی‌های ژنتیکی بهبودیافته ایجاد شوند.
بااین‌حال، پژوهشگران دانشگاه کوئینزلند (UQ) روش چشمگیری را معرفی کرده‌اند که می‌تواند آینده کشاورزی را متحول کند.
برای نخستین بار، این متخصصان موفق شده‌اند که مواد ژنتیکی را از طریق ریشه به گیاهان منتقل کنند. این روش که جزئیات آن در مجله Nature Plants منتشر شده است، رویکردی سریع‌تر و کارآمدتر برای اصلاح ژنتیکی گیاهان ارائه می‌دهد.
نانوذرات، حامل مواد ژنتیکی در گیاهان
پروفسور برنارد کارول از دانشکده شیمی و علوم زیستی مولکولی دانشگاه کوئینزلند توضیح داد که این فناوری چگونه می‌تواند به تنظیم دقیق ژن‌های گیاه کمک کند. او به فرآیندهای سنتی اصلاح ژنتیکی که زمان‌بر و پرهزینه هستند، اشاره کرد:
“اصلاح نژادی و دستکاری ژنتیکی گیاهان با روش‌های سنتی، نیازمند نسل‌های متعددی از گیاهان است که این کار بسیار زمان‌بر و پرهزینه خواهد بود.”
تیم تحقیقاتی راهی برای ورود نانوذرات به ریشه گیاهان ابداع کرده‌اند. این نانوذرات در ابتدا برای انتقال دارو در واکسن‌ها و درمان سرطان در حیوانات ساخته شده بودند، اما اکنون برای اصلاح ژنتیکی گیاهان مورد استفاده قرار گرفته‌اند.
گروه تحقیقاتی پروفسور گوردون ژو در دانشگاه کوئینزلند این نانوذرات را توسعه داده است که راهی نویدبخش برای ایجاد ویژگی‌های مفید در گیاهان ارائه می‌دهد.
عبور از دیواره‌های سخت سلولی گیاهان
برخلاف سلول‌های انسانی یا حیوانی، سلول‌های گیاهی دارای دیواره‌های سختی هستند که اصلاح ژنتیکی را دشوار می‌کنند. تیم تحقیقاتی این مشکل را با پوشش‌دهی نانوذرات با یک پروتئین خاص حل کردند.
این پروتئین باعث نرم‌تر شدن دیواره‌های سلولی سخت گیاه شد و به نانوذرات اجازه داد تا به سلول‌ها نفوذ کرده و مواد ژنتیکی را مستقیماً منتقل کنند.
“پوشش پروتئینی به نانوذره کمک کرد تا از دیواره‌های سلولی عبور کرده و برای اولین بار یک محموله مصنوعی mRNA را به داخل گیاه منتقل کند.” – پروفسور کارول
این روش به دانشمندان این امکان را می‌دهد که دستورالعمل‌های ژنتیکی خاصی را وارد گیاه کنند. مولکول‌های mRNA همانند پیام‌رسان‌هایی عمل می‌کنند که سلول‌های گیاه را برای تولید پروتئین‌های مورد نظر راهنمایی می‌کنند.
محققان این روش را روی چندین گونه گیاهی، از جمله گیاه آرابیدوپسیس که از نزدیک با کلزا و کلم مرتبط است، آزمایش کردند.
حرکت مواد ژنتیکی درون گیاهان
یکی از کشفیات شگفت‌انگیز این پژوهش، نحوه حرکت نانوذرات در داخل گیاه بود. برخلاف تصور اولیه، نانوذرات پس از ورود به یک سلول خاص متوقف نشدند، بلکه همراه با آب در سراسر گیاه پخش شدند.
“جالب بود که نانوذره به‌جای اینکه تمام محموله خود را در اولین سلولی که وارد آن شد، رها کند، همراه با جریان آب در گیاه حرکت کرد و mRNA را به بخش‌های مختلف توزیع کرد.” – پروفسور کارول
این حرکت غیرمنتظره نانوذرات، فرصت‌های هیجان‌انگیزی را برای اصلاح ژنتیکی گیاهان باز می‌کند. اگر دانشمندان بتوانند این فرآیند را کنترل و بهینه‌سازی کنند، امکان ایجاد گونه‌های بهبودیافته با سرعتی بسیار بیشتر از روش‌های کنونی وجود خواهد داشت.
جایگزینی سریع‌تر برای اصلاح نژاد سنتی
توانایی اصلاح ژنتیکی سریع‌تر گیاهان می‌تواند کشاورزی را متحول کند. روش‌های سنتی اصلاح نژاد گیاهان نیازمند سال‌ها تلاش برای ترکیب ژن‌های مطلوب از طریق تلاقی‌های متعدد هستند تا ویژگی‌هایی مانند طعم بهتر، افزایش محصول، یا مقاومت بیشتر در برابر آفات ایجاد شود.
علاوه بر این، روش‌های متداول مهندسی ژنتیک، فرآیندهای پیچیده و طولانی دارند.
“با تحقیقات بیشتر، می‌توانیم مشکلی را در یک محصول، مانند طعم یا کیفیت، هدف قرار دهیم و بدون نیاز به دهه‌ها اصلاح نژادی، یک گونه جدید ایجاد کنیم.” – پروفسور کارول
تکنیک مبتنی بر نانوذرات راه‌حلی سریع‌تر ارائه می‌دهد. mRNA واردشده به گیاه، DNA آن را به‌طور دائمی تغییر نمی‌دهد. بلکه به‌طور موقت گیاه را به تولید یک پروتئین مفید وادار کرده و سپس به‌طور طبیعی تجزیه می‌شود.
شباهت این روش با واکسن‌های mRNA
نحوه عملکرد این فناوری مشابه واکسن‌های mRNA در انسان است. درست همان‌طور که واکسن‌های mRNA سلول‌های انسانی را به تولید پروتئین تحریک‌کننده سیستم ایمنی راهنمایی می‌کنند و سپس از بین می‌روند، mRNA مصنوعی واردشده به گیاه نیز به‌طور موقت یک پروتئین را بیان کرده و سپس ناپدید می‌شود.
“مشابه واکسن‌های mRNA که پروتئینی را برای تحریک سیستم ایمنی تولید می‌کنند و سپس تجزیه می‌شوند، mRNA که به گیاهان منتقل می‌کنیم، به‌طور موقتی بیان شده و سپس از بین می‌رود.” – پروفسور کارول
این ویژگی، فناوری نانوذرات را به گزینه‌ای سازگارتر و ایمن‌تر برای بهبود سریع محصولات کشاورزی تبدیل می‌کند. دانشمندان می‌توانند از این روش برای ایجاد تغییرات موقتی در گیاهان استفاده کنند، بدون اینکه ترکیب ژنتیکی آن‌ها به‌طور دائمی تغییر کند.
توسعه تحقیقات ژنتیک گیاهی
کاربردهای بالقوه این فناوری فراتر از تحقیقات آکادمیک است. دانشگاه کوئینزلند قبلاً این تکنیک را از طریق شرکت تجاری خود UniQuest به ثبت رسانده و اکنون به دنبال شرکای صنعتی برای توسعه و اجرای آن در کشاورزی واقعی است.
این تیم تحقیقاتی شامل پروفسور ژی پین (گوردون) ژو، دکتر جیاکسی یونگ از مؤسسه استرالیایی زیست‌مهندسی و نانوتکنولوژی و اتحاد کشاورزی و نوآوری غذایی کوئینزلند بوده است.
این پژوهش می‌تواند راه را برای روش‌های سریع‌تر و دقیق‌تر بهبود محصولات کشاورزی هموار کند.
یک تحول بزرگ برای کشاورزی
امکان اصلاح ژنتیکی گیاهان بدون نیاز به چرخه‌های طولانی اصلاح نژادی یا تغییرات پیچیده ژنتیکی، می‌تواند تولید مواد غذایی را متحول کند. در آینده‌ای نزدیک، کشاورزان ممکن است به محصولاتی دسترسی داشته باشند که طعم بهتری دارند، ارزش غذایی بالاتری ارائه می‌دهند و در برابر تنش‌های محیطی مقاوم‌تر هستند.
با پیشرفت این فناوری، پژوهشگران همچنان به بهینه‌سازی آن خواهند پرداخت تا ایمنی و کارایی آن تضمین شود. گام بعدی، افزایش مقیاس این فرآیند و بررسی کاربردهای آن در محیط‌های کشاورزی مختلف خواهد بود.
این کشف، آغازی بر عصر جدیدی در علوم گیاهی است و مسیری امیدوارکننده برای بهبود امنیت غذایی جهان فراهم می‌کند. با تحقیقات و همکاری‌های بیشتر، این روش مبتنی بر نانوذرات ممکن است تعریف جدیدی از چگونگی توسعه و بهبود محصولات کشاورزی برای نسل‌های آینده ارائه دهد.
📌 این پژوهش در مجله Nature Plants منتشر شده است.
