بينما استخدمت دراسات أخرى تحرير الجينات CRISPR/Cas9 لتعطيل التعبير الجيني أو تقليله، استخدمت الدراسة الجديدة المنشورة في Science Advances تحرير الجينات لأول مرة دون تحيز لزيادة التعبير الجيني ونشاط التمثيل الضوئي اللاحق.
تمكن فريق من معهد الجينومات المبتكرة في جامعة كاليفورنيا، بيركلي (UCB) من زيادة التعبير الجيني في المحاصيل الزراعية عن طريق تغيير الحمض النووي التنظيمي الخاص بها. في حين استخدمت دراسات أخرى تحرير الجينات CRISPR/Cas9 لتعطيل أو تقليل التعبير الجيني، استخدمت الدراسة الجديدة المنشورة في Science Advances تحريرًا غير متحيز للجينات لأول مرة لزيادة التعبير الجيني ونشاط التمثيل الضوئي اللاحق.
"إن أدوات مثل CRISPR/Cas9 تعمل على تسريع قدرتنا على ضبط التعبير الجيني في المحاصيل، وليس فقط تحييد الجينات أو إيقاف تشغيلها. وقد أظهرت الدراسات السابقة أنه يمكن استخدام هذه الأداة لتقليل التعبير عن الجينات المشاركة في المقايضات المهمة، مثل قال دروب باتيل تيبر، المؤلف الرئيسي للدراسة وباحث سابق في مرحلة ما بعد الدكتوراه في مختبر نيوجي: "مثل تلك الموجودة بين بنية النبات وحجم الفاكهة". في يو سي بي.
"هذه هي الدراسة الأولى، على حد علمنا، التي تساءلنا فيها عما إذا كان بإمكاننا استخدام نفس النهج لزيادة التعبير الجيني وبالتالي تحسين النشاط بطريقة غير متحيزة."
على عكس استراتيجيات البيولوجيا التركيبية التي تستخدم جينات من كائنات أخرى لتحسين عملية التمثيل الضوئي، فإن الجينات المشاركة في عملية الحماية الضوئية موجودة بشكل طبيعي في جميع النباتات.
مستوحاة من ورقة بحثية نشرتها Nature Communications عام 2018 والتي حسنت كفاءة استخدام المياه لمحصول نموذجي من خلال التعبير الزائد عن أحد هذه الجينات، PsbS، في النباتات، أراد مختبر كريس نيوجي معرفة كيفية تغيير التعبير الجيني الطبيعي للنباتات دون إضافة حمض نووي أجنبي. .
وفقًا لمنظمة الأغذية والزراعة التابعة للأمم المتحدة، يوفر الأرز ما لا يقل عن 20% من السعرات الحرارية في العالم، ولأنه يحتوي على نسخة واحدة فقط من كل من جينات الحماية الضوئية الثلاثة الرئيسية في النباتات، فقد كان نظامًا نموذجيًا مثاليًا لهذا الجين -دراسة التحرير.
أجرى مختبر نيوجي هذا العمل كجزء من مشروع تحقيق زيادة كفاءة التمثيل الضوئي (RIPE)، وهو مشروع بحثي دولي تقوده جامعة إلينوي، يهدف إلى زيادة إنتاج الغذاء العالمي من خلال تطوير المحاصيل الغذائية التي تحول الطاقة الشمسية إلى غذاء بشكل أكثر كفاءة و ويتم دعمه من قبل مؤسسة بيل وميليندا جيتس، ومؤسسة أبحاث الأغذية والزراعة، ومكتب الخارجية والكومنولث والتنمية في المملكة المتحدة.
كانت خطة المختبر هي استخدام كريسبر/كاس9 لتعديل الحمض النووي الأولي للجين المستهدف، والذي يتحكم في كمية الجين ومتى سيتم التعبير عن الجين. وتساءلوا عما إذا كانت هذه التغييرات ستؤثر على النشاط لاحقًا وإلى أي مدى. حتى أنهم فوجئوا بالنتائج.
وقال باتيل تيبر، وهو الآن زميل AAAS لسياسة العلوم والتكنولوجيا في وزارة الزراعة الأمريكية: "إن تغيرات الحمض النووي التي أدت إلى زيادة التعبير الجيني كانت أكبر بكثير مما توقعنا وأكبر مما رأيناه بالفعل في دراسات أخرى مماثلة". .
"لقد فوجئنا بعض الشيء، لكنني أعتقد أن هذا يوضح مقدار اللدونة التي تتمتع بها النباتات والمحاصيل. لقد اعتادت على تغييرات كبيرة في الحمض النووي الخاص بها نتيجة ملايين السنين من التطور وآلاف السنين من التدجين. وباعتبارنا علماء أحياء نباتية، يمكننا الاستفادة من هذه الميزة". من هذه "الفسحة" لإجراء تغييرات كبيرة في غضون سنوات قليلة فقط لمساعدة النباتات على النمو بشكل أكثر كفاءة أو التكيف مع تغير المناخ.
في هذه الدراسة، اكتشف باحثو RIPE أن الانقلابات، أو "قلب" الحمض النووي التنظيمي، أدى إلى زيادة التعبير الجيني لـ PsbS. ما كان فريدًا في هذا المشروع هو أنه بعد إجراء أكبر عكس للحمض النووي، أجرى أعضاء الفريق تجربة تسلسل الحمض النووي الريبي (RNA) لمقارنة كيفية تغير نشاط جميع الجينات في جينوم الأرز مع وبدون تغييراتها.
ما وجدوه كان عددًا صغيرًا جدًا من الجينات المعبر عنها تفاضليًا، وهو عدد أقل بكثير من دراسات تسلسل الجينوم المماثلة، مما يشير إلى أن نهجهم لم يضعف نشاط العمليات الحيوية الأخرى.
وأضافت باتل تيبر أنه على الرغم من أن الفريق أظهر أن هذه الطريقة ممكنة، إلا أنها لا تزال غير مستخدمة أو أن معدلات النجاح منخفضة. حوالي 1% من النباتات التي قاموا بإنشائها كانت تمتلك النمط الظاهري المطلوب.
"لقد أظهرنا دليلاً على المفهوم هنا، وهو أنه يمكننا استخدام كريسبر/كاس9 لإنشاء متغيرات في الجينات الرئيسية في المحاصيل والحصول على نفس القفزات التي قد نحصل عليها مع الأساليب المعتادة لتربية النباتات، ولكن على سمة مستهدفة للغاية أننا قال باتيلكلاو: "أريد الهندسة وفي فترة زمنية أقصر بكثير".
"إنه بالتأكيد أكثر صعوبة من استخدام نهج النباتات المعدلة وراثيا، ولكن من خلال تغيير شيء موجود بالفعل، قد نكون قادرين على استباق القضايا التنظيمية التي يمكن أن تبطئ كيفية وصول أدوات مثل هذه إلى أيدي المزارعين."
كريسبر/كاس9، تحرير الجينات، التمثيل الضوئي، التعبير الجيني، الأرز، الجينوم النباتي، الجينات التنظيمية، الطفرات المختبرية، مشروع RIPE، الزراعة، المحاصيل الغذائية، كفاءة التمثيل الضوئي، تغير المناخ، هندسة النبات، البيولوجيا التركيبية، علم النبات، تحسين المحاصيل، البحث علم الوراثة، جامعة كاليفورنيا بيركلي، جامعة إلينوي
