به گزارش زیستنا به نقل از GenEngNews، پژوهشگران دانشگاه کرنل پیشرفت قابل‌توجهی در بهبود فتوسنتز در برخی محصولات کشاورزی ایجاد کرده‌اند. این پیشرفت گامی در جهت سازگار سازی گیاهان با تغییرات سریع آب‌وهوایی و افزایش بازدهی تولید محصولات برای تغذیه جمعیت رو به رشد است که پیش‌بینی می‌شود تا سال ۲۰۵۰ به ۹ میلیارد نفر برسد. مطالعه این گروه در ژورنال Science Advances منتشر شده است.
این گروه روشی رایانه‌ای را ایجاد کردند تا توالی‌های ژنی مطلوب برای ساخت روبیسکو (Rubisco) را پیش‌بینی کنند. روبیسکو آنزیم کلیدی گیاه برای فتوسنتز است. این روش به دانشمندان امکان داد تا نامزدهای آنزیمی امیدوارکننده‌ای را شناسایی کنند که می‌توان آن‌ها را در محصولات نوین مهندسی کرد تا در نهایت فتوسنتز کارآمدتر شده و بازده محصول افزایش یابد.
روش این گروه بر تاریخ تکاملی متکی بود؛ بدین شکل که محققان ژن‌های روبیسکو را از ۲۰ تا ۳۰ میلیون سال قبل پیش‌بینی کردند. در آن زمان میزان دی‌اکسید کربن (CO۲) زمین بالاتر از میزان امروزی آن بود و آنزیم‌های روبیسکو در گیاهان با این مقادیر سازگار شده بودند. با زنده کردن دوباره روبیسکوهای باستانی، نتایج اولیه امیدوارکننده‌ای برای ایجاد آنزیم‌های روبیسکو سریع‌تر و کارآمدتر به دست آمد. می‌توان این آنزیم‌های تازه را در محصولات کشاورزی قرار داد و آن‌ها را برای سازگاری با شرایط گرم و خشک آینده کمک کرد، چراکه فعالیت‌های انسانی در حال افزایش غلظت گاز CO۲ در جو زمین است که گرما را به دام می‌اندازد.
این مطالعه ۹۸ آنزیم روبیسکو پیش‌بینی‌شده را در مراحل مهم طی تاریخ تکاملی گیاهان خانواده سولاناسه (Solanaceae) توصیف می‌کند. این خانواده شامل گوجه‌فرنگی، فلفل، سیب‌زمینی، بادمجان و تنباکو می‌شود. پژوهشگران از تنباکو به‌عنوان مدل تجربی مطالعاتشان روی روبیسکو استفاده کردند.
محققان بیان می‌کنند: «گیاهان و موجودات فتوسنتز کننده دارای آنزیمی نام روبیسکو هستند که به شکل چشمگیری ناکارآمد است. این آنزیم CO۲ جوی را در ترکیبات آلی تثبیت می‌کند. شناخت چگونگی تکامل روبیسکو در واکنش به تغییرات آب و هوایی گذشته در تلاش برای سازگار کردن گیاهان با شرایط آینده مهم است.»
«ما در این مطالعه، روندی رایانه‌ای را برای در کنار هم قرار دادن زیر واحدهای بزرگ و کوچک آنزیم‌های روبیسکو از داده‌های رونویسی توسعه دادیم. در ادامه توالی‌هایی را برای روبیسکوهای باستانی خانواده سولاناسه (تاجریزی) پیش‌بینی کردیم و سینتیک آن‌ها را پس از بیان هم‌زمان آن‌ها در Escherichia coli مشخص کردیم. اجداد پیش‌بینی‌شده‌ای از روبیسکوهای C3 شناسایی شدند که سینتیک برتری داشتند و توانایی بسیار خوبی برای کمک به گیاهان برای سازگاری با تغییرات آب و هوایی حاصل از مداخله انسان دارند.»
دکتر ماورین هانسون (Maureen Hanson) نویسنده ارشد و استاد زیست‌شناسی مولکولی گیاهی در دانشکده کشاورزی و علوم زیستی گفت: «همچنین یافته‌های ما، شناخت از تکامل ویژگی‌های کاتالیزوری روبیسکو را بهبود می‌دهد. ما توانستیم آنزیم‌های پیش‌بینی‌شده باستانی را شناسایی کنیم که در مقایسه با آنزیم‌های امروزی ویژگی‌های برتری دارند.» دکتر میات لین (Myat Lin) نویسنده اول مقاله و پژوهشگر پسا دکترا در آزمایشگاه هانسون، این روش جدید را برای شناسایی آنزیم‌های روبیسکو پیش‌بینی‌شده باستانی به وجود آورد.
لین فیلوژنی روبیسکو را با استفاده از گیاهان خانواده سولاناسه بازسازی کرد. هانسون توضیح داد: «با به دست آوردن تعداد زیادی از توالی‌های ژنی روبیسکو در گیاهان موجود، می‌توان درختی فیلوژنتیکی (phylogenetic tree) به وجود آورد تا دریافت که روبیسکوها احتمالاً ۲۰ تا ۳۰ میلیون سال پیش وجود داشته است.»
مزیت شناسایی توالی‌های باستانی روبیسکو آن است که سطح دی‌اکسید کربن در جو در ۲۵ تا ۵۰ میلیون سال پیش احتمالاً بین ۵۰۰ تا ۸۰۰ قسمت در میلیون (parts per million) یا به‌اختصار ppm بوده است. امروزه، میزان CO۲ که گرما را به دام می‌اندازد به دلیل بسیاری از فعالیت‌های انسانی به‌شدت در حال افزایش است و با اندازه‌گیری‌های کنونی در حدود ۴۲۰ قسمت در میلیون (ppm) رسیده است. این میزان برای صدها هزار سال و تا دهه ۱۹۵۰ نسبتاً ثابت و در زیر ۳۰۰ قسمت در میلیون قرار داشت.
این گروه دریافت که آنزیم‌های باستانی روبیسکو که از گیاهان امروزی سولاناسه پیش‌بینی شده‌اند، امیدی واقعی برای کارآمدی بیشتری را نشان می‌دهند.
هانسون ادامه داد: «ما برای مرحله بعد می‌خواهیم ژن‌های آنزیم روبیسکو موجود در تنباکو را با استفاده از فناوری ویرایش ژن کریسپر (CRISPR) با این توالی‌های باستانی جایگزین کنیم و سپس چگونگی تأثیر آن بر تولید زیست‌توده (biomass) را اندازه‌گیری کنیم.» وی افزود: «مسلماً امیدواریم که آزمایش‌های ما نشان دهد که با سازگاری روبیسکو با شرایط امروزی، گیاهانی خواهیم داشت که عملکرد بیشتری خواهند داشت.»
اگر روش آن‌ها موفقیت‌آمیز باشد، این توالی‌های کارآمد روبیسکو را می‌توان به محصولاتی مانند گوجه‌فرنگی و نیز محصولاتی از سایر خانواده‌های گیاهی مانند سویا و برنج انتقال داد.
منبع: GenEngNews
Journal Reference:
Lin, Myat T., Heidi Salihovic, Frances K. Clark, and Maureen R. Hanson. “Improving the Efficiency of Rubisco by Resurrecting Its Ancestors in the Family Solanaceae.” Science Advances ۸, no. 15 (April 15, 2022): eabm6871. https://doi.org/10.1126/sciadv.abm6871.