انتقال پروتئین انسانی مرتبط با چاقی به گیاهان موجب افزایش محصول می‌شود

پژوهشگران یکی از پروتئین انسانی را به گیاهان مختلف منتقل کردند و شاهد افزایش محصول آن‌ها بودند. درحالی‌که راه امیدوارکننده‌ای برای افزایش عملکرد محصول به‌نظر می‌رسد، کارشناسان می‌گویند مطالعات بیشتری باید انجام شود تا متوجه شویم این ترفند چرا مؤثر است.

سالانه ۹ میلیون نفر در سراسر جهان براثر گرسنگی جان می‌دهند که بیشتر از مرگ‌و‌میر ناشی از ترکیب ایدز، مالاریا و سل است. اما راه‌حل بحران گرسنگی جهانی به‌سادگی افزایش تولید محصولات کشاورزی نیست.

کشاورزی ردپای کربنی سنگینی دارد و هر سال ۱۰ تا ۲۰ درصد از گازهای گلخانه‌ای جهانی مربوط به بخش کشاورزی است. علاوه‌بر‌این، مصرف بیش‌از‌حد مواد شیمیایی موجب ایجاد مقاومت در آفات و عوامل بیماری‌زایی می‌شود که این مواد قصد از بین بردن آن‌ها را دارند و ریشه‌کنی بیماری‌های مرتبط با آن‌ها برای کشاورزان دشوار می‌شود. همچنین، رواناب حاصل از کودها می‌تواند آبراهه‌ها را آلوده کند. بنابراین، پرورش غذای بیشتر کافی نیست و باید بازده افزایش پیدا کند.

در راستای تغذیه پایدار جمعیت درحال رشد جهان، پژوهشگرانی از چین و آمریکا ممکن است راه‌حل هوشمندانه‌ای به‌شکل افزایش اندازه محصولات پیدا کرده باشند. براساس مطالعه‌ی جدید که در مجله‌ی Nature Biotechnology منتشر شده است، پیوند یکی از پروتئین‌های انسانی که باعث افزایش رشد می‌شود، به محصولات کشاورزی ممکن است موجب تولید گیاهان بزرگ‌تر، سنگین‌تر و پربارتر شود و میزان محصولات کشاورزی را ۵۰ درصد افزایش دهد. درحالی‌که نتایج امیدوارکننده به‌نظر می‌رسد، کارشناسان می‌گویند برای اطمینان از تکرار این موفقیت باید پژوهش‌های بیشتری انجام داد.

گیاهان سیب‌زمینی مجهز به ماشین‌آلات ژنتیکی موردنیاز برای تولید یکی از پروتئین‌های انسانی، غده‌های بزرگ‌تری (راست) تولید می‌کنند. نوار مقیاس ۴ اینچ را نشان می‌دهد.

گیفانگ جیا، نویسنده مقاله و متخصص زیست‌شناسی شیمیایی از دانشگاه پکینگ چین می‌گوید: «فکر می‌کنیم که این استراتژی بسیار خوبی برای مهندسی محصولات کشاورزی ما است». اما او تصدیق می‌کند که مطالعه‌ی آن‌ها مقدماتی است. او می‌خواهد پیش از اینکه محصول شگفت‌آور آن‌ها به دست مصرف‌کنندگان برسد، آزمایش‌های تکمیلی بیشتری ازجمله ارزیابی ایمنی انجام دهد.

پروتئین مسئول تحریک رشد فوق‌العاده‌ی گیاهان، پروتئین مرتبط با توده چربی و چاقی در انسان است که FTO نام دارد. درحالی‌که ژن مرتبط با این پروتئین ازنظر افزایش خطر چاقی در انسان شهرت بدی دارد، پژوهشگران قبلا گزارش کرده بودند که پروتئین مذکور برای تنظیم رشد در انسان‌ها و پستانداران دیگر مهم است.

به‌گفته‌ی پژوهشگران، FTO رشته‌های RNA را ازنظر شیمیایی تغییر می‌دهد. این رشته‌ها دستوالعمل‌های ژنتیکی کوتاهی برای ساخت پروتئین‌ها هستند که از روی الگوی DNA نسخه‌برداری می‌شوند. این اصلاح موجب می‌شود که RNA پروتئینی را تولید کند که برای آن رمزگذاری شده است. در اصل، FTO مانند شاه‌کلید روشن عمل می‌کند که تولید گسترده پروتئین را در چندین رشته از RNA افزایش می‌دهد.

برخی از نویسندگان مقاله، یک دهه را صرف مطالعه‌ی نقش FTO در انسان کرده بودند. آن‌ها کنجکاو بودند که اگر این پروتئین افزایش‌دهنده‌ی رشد که RNA را مورد هدف قرار می‌دهد، به گیاهان راه پیدا کند، چه اتفاقی می‌افتد. چوان هه، نویسنده مطالعه و شیمیدان دانشگاه شیکاگو می‌گوید: «ایده‌ی جسورانه و عجیبی بود». بدن انسان ده‌ها هزار پروتئین تولید می‌کند و اولین موردی که گروه او در گیاهان آزمایش کردند، FTO بود. او می‌گوید: «راستش را بخواهید، شاید انتظار اثرات فاجعه‌باری را داشتیم».

هه می‌گوید گیاهان پروتئین معادل FTO ندارند. این شیمیدان حدس می‌زند که گیاهان معمولا رشد خود را تحت مهار شدیدی نگه می‌دارند تا مانع از آن شوند که مولکولی واحد بتواند به‌راحتی فیزیولوژی گیاه را به ویرانی بکشد. اما به‌گفته‌ی وی، گیاهان در مواجهه با پروتئین خارجی، فاقد هرگونه کنترل و توازنی برای تعدیل پیامدهای ممکن هستند. در کمال شگفتی پژوهشگران، FTO گیاهان را از بین نمی‌بَرد یا معیوب نمی‌کند. درعوض، موجب می‌شود که گیاه بزرگ شود.

پژوهشگران ژن FTO انسانی را در ژنوم محصولات برنج وارد کرده و به ماشین‌آلات پروتئینی گیاه اجازه دادند تا این مولکول انسانی را تولید کند. در گلخانه، محصولات ازنظر ژنتیکی تغیریافته نسبت‌به گیاهان تغییر نیافته، سه برابر برنج بیشتری تولید کردند. این گیاهان برنج در مزارعی در پکن کاشته شدند و گیاهان حاصل ۵۰ درصد سنگین‌تر و پربارتر بودند.

همین اصلاح ژنتیکی اندازه‌ی غده‌های گیاهان سیب‌زمینی را افزایش داد. گیاهان مجهز به FTO، همچنین ریشه‌های بلندتری داشتند، سطوح فتوسنتز بالاتری نشان دادند و دربرابر خشکی مقاوم‌تر بودند. پژوهشگران گیاهان مختلفی ازجمله گراس‌ها (تیره گندمیان) و درختان را به این روش تغییر دادند و گیاهان حاصل رشد سریع‌تری داشته و بزرگ‌تر شدند. جیا می‌گوید: «این فنوتیپ (ویژگی) در هر گیاهی که مهندسی کردیم، به‌طور ثابت دیده می‌شد».

گیاهان برنج مجهز به FTO، همان‌طور که در سمت راست نشان داده شده است، محصول بیشتری تولید می‌کنند. نوار مقیاس ۴ اینچ را نشان می‌دهد.

با وجود وعده‌ها، اصلاح ژنتیکی گیاهان نتوانسته است عملکرد محصولات را به‌طور قابل‌اعتمادی بیشتر از ۱۰ درصد افزایش دهد. رشد گیاه پیچیده است و ازنظر ژنتیکی فقط یک ژن وجود ندارد که آن را اصلاح کنیم و رشد گیاه افزایش قابل‌توجهی پیدا کند.

افزایش مشاهده‌شده در مطالعه شگفت‌آور و تقریبا غیرقابل‌باور است و پژوهشگران دیگر می‌گویند درزمینه‌ی ایجاد امیدواری و نسبت دادن قدرت بیشتری به این پروتئین باید احتیاط کرد. دونالد اورت، متخصص زیست‌شناسی گیاهی از دانشگاه ایلینوی که در مطالعه مشارکتی نداشت، می‌گوید: «آنچه درمورد استراتژی اتخاذشده در این مقاله غیرعادی است، این است که دلیلی وجود ندارد که انتظار داشته باشیم این روش موفق است. علم معمولا برپایه‌ی تئوری‌های به‌خوبی درک‌شده به آهستگی حرکت می‌کند. اما به‌نظر می‌رسد نویسندگان این مقاله تیری در تاریکی رها کرده‌اند و به طلا رسیده‌اند».

به‌گفته‌ی رابرت سابلووسکی، متخصص زیست‌شناس گیاهی در مرکز جان اینس بریتانیا که در مطالعه مشارکتی نداشت، میزان افزایش قابل‌توجهی که در این مطالعه در عملکرد حاصل شده است، بسیار بیشتر از افزایش‌های ناچیزی است که پژوهشگران دیگر معمولا به آن دست پیدا می‌کنند. او می‌گوید: «عملکرد نهایی محصول ازنظر ژنتیکی صفت بسیار پیچیده‌ای است».

به‌گفته‌ی اورت، فقط براساس اعداد مطلق، گیاهان برنج و سیب‌زمینی تغییریافته به کمک FTO که در مطالعه گزارش شده‌اند، نسبت‌به واریته‌های تجاری محصول پایین‌تری دارند. در صورتی که این ترفند بهره‌وری سویه‌های دارای عملکرد بالا را افزایش دهد، پیشرفتی واقعی خواهد بود. اهمیت بالقوه‌ی این دستاورد برای کشاورزی هنوز باید ثابت شود.

سابلووسکی و اورت با احتیاط خوش‌بین هستند، زیرا مسیر پیش رو روشن است: تکرار آزمایش در مناطق دیگر و با بهترین واریته‌های محصولات کشاورزی موجود.

جیا و هه این موضوع را دنبال می‌کنند. آن‌ها درحال کار با کشاورزان هستند و مکانیسم‌های ژنتیکی را به‌طور عمیق‌تری برسی می‌کنند. اما به‌گفته‌ی جیا، این آزمایش‌ها زمان‌بر است. گروه او به علت تعطیلی سال گذشته آزمایشگاه در جریان دنیاگیری کووید ۱۹، یک فصل رشد را از دست داد. او تخمین می‌زند که چند سال نیاز دارند تا بذرهای کافی را از تعداد محدود والدین تغییریافته ژنتیکی جمع‌آوری کنند تا کل مزارع را با آن‌ها بذرپاشی کنند.

پژوهشگران همچنین درحال آزمایش با پروتئین‌های غیرگیاهی دیگر هستند. آن‌ها تاکنون یک کاندیدای دیگر را آزمایش کرده‌اند اما افزایش محصول مشابه پروتئین FTO مشاهده نکردند. هه درمورد پروتئین‌های دیگر می‌گوید: «احتمالا نتیجه‌بخش نخواهد بود». مسیرهای تنظیمی گیاهان معمولا قوی هستند؛ عادی نیست دانشمندان نقصی در کد ژنتیکی آن‌ها پیدا کنند که موجب تغییر گسترده‌ای در زیست‌شناسی شود. هه می‌گوید: «فکر می‌کنم FTO بسیار خاص است».