گوجه فرنگی در خط مقدم انقلاب غذایی

در نگاه اول، این گیاه مانند هر گیاه دیگری بود که در گوشه‌و‌کنار اداره‌ها یا لبه‌ی پنجره آزمایشگاه‌های دانشگاه پرورش داده می‌شود. اما این گوجه‌فرنگی خاص که در سال ۲۰۱۸ در دانشگاه مینه‌سوتا پرورش یافت، فرق داشت. بوته‌ی پرپشتی از برگ‌های بلند و میوه‌های قرمز کوچک ویژگی گونه وحشی گیاه گوجه‌فرنگی بود که بومی پرو و اکوادور است و گوجه انگورکی (نام علمی Solanum pimpinellifolium) و نیز گوجه کشمشی قرمز نامیده می‌شود. اگرچه، بررسی دقیق‌تر منحصر‌به‌فرد بودن این گیاه را آشکارتر کرد.

این گیاه خاص نسبت‌به گوجه وحشی متراکم‌تر بود و شاخه‌های کمتر و میوه‌های بیشتری داشت. میوه‌های آن همچنین کمی تیره‌تر از حد معمول بود که نشانه‌ای از افزایش لیکوپن است. لیکوپن آنتی‌اکسیدانی است که با کاهش خطر سرطان و بیماری قلبی ارتباط دارد. درواقع، این گیاه به این شکل طراحی شده بود.

گیاه مذکور توسط ژنتیکدانی به نام توماس سرماک و همکارانش با استفاده از ویرایش ژن کریسپر ایجاد شده بود. کریسپر فناوری برنده جایزه نوبل است که مانند ابزار برش و چسباندن برای مواد ژنتیکی عمل می‌کند. این فناوری درحال متحول کردن کشاورزی است و به ایجاد محصولات کشاورزی برای آینده کمک می‌کند. سرماک به دنبال گوجه فرنگی کاملی است که کشت آن آسان باشد، حاوی مواد مغذی و خوشمزه باشد اما دربرابر تغییر اقلیم سازگارتر باشد. او می‌گوید: «گیاه ایده‌آل می‌تواند دربرابر انواع استرس‌ها مانند گرما، سرما، شوری و خشکی و نیز دربرابر آفات مقاوم باشد».

تغییرات اقلیمی برای بسیاری از محصولات کشاورزی مشکل ایجاد می‌کند و گوجه فرنگی نیز از این قاعده مستثنی نیست. گوجه فرنگی گرما را دوست ندارد و بهترین رشد را در دمای ۱۸ تا ۲۵ درجه سانتیگراد دارد. خارج از این محدوده دمایی مشکلات آغاز می‌شود: گرده به‌خوبی تشکیل نمی‌شود و گل‌ها به شکلی که باید به میوه تبدیل نمی‌شوند. با رسیدن دما به بالای ۳۵ درجه سانتیگراد، عملکرد کاهش پیدا می‌کند.

مطالعه‌ای در سال ۲۰۲۰ نشان داد که تا اواسط قرن بیست و یکم، تا ۶۶ درصد از زمین‌های کالیفرنیا که مدت‌ها برای کشت گوجه فرنگی استفاده می‌شد، ممکن است دیگر دمای مناسب پرورش این محصول کشاورزی را نداشته باشد. مطالعات مدل‌سازی دیگر نشان می‌دهد که تا سال ۲۰۵۰، قطعات بزرگی از زمین در برزیل، آفریقای سیاه، هند و اندونزی دیگر آب‌و‌هوای مناسب برای کشت گوجه فرنگی را نخواهد داشت.

گیاه Solanum pimpinellifolium گوجه وحشی است که در پرو و اکوادور یافت می‌شود و میوه‌های آن به اندازه انگور فرنگی است

البته با افزایش میانگین دما، مناطقی که قبلا خیلی سرد بودند، ممکن است برای کشت گوجه فرنگی مناسب شوند. با‌این‌حال، مشاهدات در ایتالیا نشان می‌دهد که رویدادهای آب‌و‌هوایی شدید را نیز در این مناطق باید درنظر گرفت. فصل رویش سال ۲۰۱۹ در شمال ایتالیا براثر تگرگ، بادهای شدید، بارندگی سنگین غیرمعمول، یخبندان و گرمای بی‌سابقه ضعیف بود. نتیجه‌ی این شرایط، وارد آمدن استرس بر گیاهان گوجه فرنگی و برداشت ضعیف بود.

مشکلات دیگری هم وجود دارد. کمبود آب کشاورزان را مجبور می‌کند که از آب آبیاری با کیفیت پایین‌تر استفاده کنند که غالبا نمک دارد و منجر به شوری خاک می‌شود. ارقام تجاری گوجه فرنگی این شرایط را دوست ندارند. در همین حین، افزایش سطح اوزون گوجه فرنگی را دربرابر بیماری‌هایی مانند لکه برگی باکتریایی آسیب‌پذیرتر می‌کند.

همه‌ی موارد فوق نگران‌کننده است، خصوصا با توجه به اینکه گوجه فرنگی درحال‌حاضر بزرگ‌ترین محصول باغبانی در جهان است. انسان هر سال ۱۸۲ میلیون تن گوجه فرنگی تولید می‌کند که معادل وزن تقریبا ۳۲ هرم بزرگ جیزه است. علاوه‌بر‌این، اشتهای ما برای گوجه فرنگی به سرعت درحال افزایش است. طی ۱۵ سال گذشته، تولید جهانی گوجه فرنگی بیش از ۳۰ درصد افزایش پیدا کرده است.

گوجه فرنگی علاوه بر این میوه مورد علاقه انسان است، همچنین محصولی نمونه است: رشد سریعی دارد، پرورش و تکثیر آن آسان است و دستکاری ژنتیکی آن نیز نسبتا ساده است. جویس ون اک، متخصص ژنتیک گیاهی در دانشگاه کرنل در نیویورک می‌گوید: «درمقایسه‌با گونه‌های گیاهی دیگر، بودجه بیشتری برای پژوهش روی گوجه فرنگی وجود دارد تا منابعی مانند توالی‌های ژنومی، مهندسی ژنتیک و ویرایش ژن را برای آن توسعه دهیم». روی هم رفته، این امر موجب می‌شود که گوجه فرنگی برای مطالعه فناوری‌های جدید ویرایش ژن مانند کریسپر که می‌تواند در آینده نزدیک محصولات سازگار با اقلیم را برای ما به ارمغان بیاورد، عالی باشد.

کریسپر جعبه ابزاری مولکولی است که دانشمندان از باکتری‌ها گرفته و آن را تغییر کاربرد داده‌اند (زمانی که باکتری‌ها توسط ویروس‌ها مورد حمله قرار می‌گیرند، DNAویروسی را می‌گیرند و برش می‌دهند تا مانع از این شوند که مهاجم درون آن‌ها تکثیر پیدا کند و بنابراین آن را دفع می‌کنند).

کریسپر که از سال ۲۰۱۳ در گیاهان استفاده می‌شود، به پژوهشگران کمک می‌کند تا ژنوم را با دقت بسیار بالایی اصلاح کنند تا صفات موردنظر خود را به دست آورند. شما می‌توانید ژن‌های مفید را وارد کنید، ژن‌های نامطلوب را حذف کنید و جهش‌های هدفمندی ایجاد کنید.

در حیوانات (غیرانسان) کریسپر برای مطالعه مدل‌های بیماری انسانی و نیز برای بهبود دام‌ها استفاده می‌شود و حتی می‌تواند به‌طور بالقوه برای احیای گونه‌های منقرض‌شده نیز مورد استفاده قرار گیرد. در گیاهان، این فناوری می‌تواند به ایجاد محصولات بهتر، خوشمزه‌تر، مغذی‌تر و مقاوم‌تر کمک کند.

اولین قدم، پیدا کردن ژن‌های مناسب برای هدف‌گیری است. ریچارد ویسر، متخصص ژنتیک گیاهی در دانشگاه واخنینگن هلند می‌گوید:

ما باید ژن‌های مسئول یا دخیل در توانایی تحمل استرس زیستی و غیرزیستی را شناسایی کنیم، زیرا در غیر این صورت نمی‌توانیم با استفاده از ویرایش ژن آن‌ها را تغییر داده، اصلاح کنیم یا از کار بیندازیم.

اهلی‌سازی محصولات کشاورزی ازجمله گوجه فرنگی منجر به کاهش شدید تنوع ژنتیکی شده است. ارقام تجاری مدرن ممکن است رشد سریعی داشته باشند و برداشت آن‌ها آسان باشد، اما ازنظر ژنتیکی کاملا یکنواخت هستند.

تنها چهار محصول بسیار همگن (سویا، برنج، گندم و ذرت) بر کشاورزی جهانی تسلط دارند و بیشتر از نیمی از کل زمین‌های کشاورزی را در اختیار خود دارند. درمقابل، خویشاوندان وحشی آن‌ها و نیز گیاهان اهلی و سازگار به محیط بومی (واریته‌های سنتی که به مکان‌های خاصی سازگار شده‌اند) گنجینه‌ای از تنوع ژنتیکی هستند. به همین دلیل است که دانشمندان این مخزن ژنتیکی را جستجو می‌کنند تا صفاتی را شناسایی کنند که می‌توانند دوباره به گیاهان تجاری وارد شوند. این فرایند با کاهش سریع هزینه‌های فناوری‌های توالی‌یابی DNA امکان‌پذیرتر می‌شود.

ازآن‌جا که تغییرات اقلیمی الگوهای بارندگی را تغییر می‌دهند، در مناطق دچار کمبود آب، به واریته‌های جدیدی از محصولات مقاوم دربرابر خشکی، نیاز خواهد بود.

در مطالعه‌ای در سال ۲۰۲۱ ژنوم سولانوم سیتینس (Solanum sitiens) بررسی شد. سولانوم سیتینس گونه‌ای گوجه فرنگی وحشی است که در شرایط بسیار نامساعد بیابان آتاکاما در شیلی رشد می‌کند و در ارتفاعاتی به بلندای ۳۳۰۰ متر نیز یافت می‌شود. در این مطالعه چندین ژن مرتبط با مقاومت به خشکی در سولانوم سیتینس شناسایی شد، ازجمله ژنی که YUCCA7 نام دارد.

البته ژن‌های دیگری نیز وجود دارد که می‌توان از آن‌ها برای تقویت گوجه فرنگی استفاده کرد. در سال ۲۰۲۰، دانشمندان چینی و آمریکایی مطالعه همبستگی در سطح ژنوم را انجام دادند و با تجزیه‌و‌تحلیل ژنوم ۳۶۹ رقم گوجه فرنگی، لاین‌های اصلاحی و گونه‌های اهلی سازگار به مناطق بومی، ژنی به نام SlHAK20 را شناسایی کردند که برای تحمل شوری بسیار مهم بود.

پس از شناسایی ژن‌های هوشمند ازنظر اقلیمی، مانند مواردی که شناسایی شده است، آن‌ها را می‌توان با کریسپر مورد هدف قرار داد تا ژن‌های ناخواسته دیگر را حذف کرد، برخی ژن‌ها را غیرفعال یا ژن‌های جدیدی را وارد کرد. این کار اخیرا درمورد تحمل نمک، مقاومت به پاتوژن‌های مختلف گوجه فرنگی و حتی ایجاد گیاهان کوتاه قد که می‌توانند بادهای قوی را تحمل کنند (یکی دیگر از اثرات نامطلوب تغییرات اقلیمی) انجام شده است.

اگرچه دانشمندانی مانند سرماک پا را فراتر نهاده و کار را از اول شروع می‌کنند. آن‌ها درحال استفاده از کریسپر برای اهلی‌کردن گونه‌های وحشی گیاهی از ابتدا هستند. آن‌ها نه‌تنها می‌توانند طی یک نسل به چیزی برسند که قبلا هزاران سال طول کشیده است، بلکه همچنین با دقت بسیار بیشتری می‌توانند این کار را انجام دهند.

با‌این‌حال، این گوجه فرنگی ایده‌الی نبود که او برای به دست آوردن آن تلاش می‌کرد. برای رسیدن به این هدف کارهای بیشتری باید انجام شود. او می‌گوید:

با افزودن ژن‌های اضافی، می‌توانیم میوه را بزرگ‌تر و فروان‌تر کنیم، برای بهبود طعم مقدار قند را افزایش دهیم و غلظت آنتی‌اکسیدان‌ها، ویتامین C و مواد مغذی دیگر را افزایش دهیم.

البته مقاومت دربرابر اشکال مختلف استرس، از گرما گرفته تا آفات و خشکسالی و شوری را نیز می‌توانیم به کمک این روش تقویت کنیم.

اهلی‌سازی از اول می‌تواند همچنین محصولات کشاورزی بدون جایگاه و پشتوانه را نیز جذاب‌تر کند. این‌ها گیاهانی هستند که در مقیاس محدودی کشت می‌شوند اما پتانسیل عظیمی برای کمک به امنیت غذایی دارند.

گوجه فانوسی از خویشاوندان وحشی گوجه‌ها که میوه‌های شیرین ظریفی تولید می‌کند، یکی از محصولاتی است که اخیرا با فناوری کریسپر اهلی شده است. در آینده نزدیک، اهلی‌سازی از ابتدا می‌تواند محصولاتی مانند لوبیا چشم بلبلی، سورگوم و تِف (همه غلات بومی آفریقا) را به دست مردم بیشتری در سراسر جهان برساند. کریسپر همچنین برای بهبود محصولات دیگر از موز و انگور گرفته تا برنج و خیار استفاده می‌شود.

برخی دانشمندان بر این باورند که ویرایش ژن کریسپر آغازگر دومین انقلاب سبز برای کمک به تغذیه جمعیت انسانی درحال رشد است. البته، اگرچه این فناوری نویدبخش بهبود محصولات است، به‌گفته‌ی ویسر راه‌حل جادویی نیست و موانع فنی وجود دارد که باید بر آن‌ها غلبه کرد. ون اک می‌گوید: «کارآیی ویرایش می‌تواند در برخی از گونه‌های زراعی مشکل باشد». برخلاف گیاهان دیپلوئید مانند گوجه فرنگی (که دو سری کروموزوم مشابه دارند)، کار روی گیاهانی که بیش از دو مجموعه کروموزوم جفتی دارند (مثل گندم که پلی‌پلوئید نامیده می‌شوند) بسیار سخت‌تر است. ون اک می‌افزاید: «در گیاهان پلی‌پلوئید نسخه‌های بیشتری از یک ژن دارید که باید تحت‌تأثیر کریسپر قرار گیرند».

امانوئل شرپانتیه و جنیفر داودنا به‌خاطر کشف قیچی ژنتیکی Crispr-Cas9 برنده جایزه نوبل شیمی شدند

مقررات و پذیرش اجتماعی نیز مشکل دیگری است که وجود دارد. گیاهان اصلاح‌شده به کمک کریسپر می‌توانند عاری از تراژن باشند. یعنی برخلاف محصولات GM (جانداران مهندسی‌شده ژنتیکی)، گیاهانی که با فناوری کریسپر تولید می‌شوند، حاوی DNA از گونه دیگری نیستند (یعنی ترانسژنیک)، زیرا این فناوری یا شامل حذف ژن‌ها می‌شود یا ممکن است شامل وارد کردن ژن از واریته‌های متفاوتی از همان گونه باشد (همان‌طور که روی گوجه فرنگی درحال انجام است).

با‌این‌حال، معدود مطالعات موجود درزمینه پذیرش محصولات غذایی ویرایش‌شده به کمک کریسپر تصویر متناقضی را نشان می‌دهند. در نظرسنجی بین کشوری که در ایالات متحده، کانادا، بلژیک، فرانسه و استرالیا انجام شد، مردم محصولات ویرایش‌شده به کمک کریسپر و غذاهای GM را مشابه می‌دانستند. اگرچه در مطالعه منتشرشده در ۲۰۲۰، مصرف‌کنندگان کانادایی تمایل بیشتری به پذیرش غذاهای ویرایش‌شده به کمک کریسپر داشتند.

قانون نیز وجود دارد. اگرچه، قارچ‌های ویرایش‌شده به کمک کریسپر در سال ۲۰۱۶ موفق شدند از مقررات فرار کرده و تأیید شوند، تصمیم عالی‌ترین دادگاه اروپا در سال ۲۰۱۸ این بود که محصولات ویرایش ژنی شده باید مشمول همان مقرراتی باشند که بر ارگانیسم‌های GM مرسوم حاکم است.

برای گوجه‌فرنگی ایده‌آل سرماک که قرار است ازنظر اقلیمی هوشمند باشد، چنین موانع قانونی همراه با تردید مصرف‌کنندگان می‌تواند مانع مهمی باشد.