فناوری مهندسی ژنوم مبتنی بر CRISPR-Cas به دلیل دقت بالا، تنوع کاربرد، قابلیت انجام چندین ویرایش همزمان و سهولت اجرا، به طور گسترده در بسیاری از زمینه‌های تحقیقات پایه و کاربردی زیست‌شناسی مورد استفاده قرار می‌گیرد. توانایی ما در غیرفعال کردن ساده ژن‌ها با استفاده از CRISPR-Cas به سرعت به سمت ایجاد تغییرات دقیق در ژنوم‌ها و برنامه‌ریزی مجدد ترانسکریپتوم‌ها تکامل یافته است. عمیق‌ترین و فوری‌ترین تأثیرات این پیشرفت‌های فناورانه در حوزه کشاورزی و تحقیقات گیاهی مشاهده شده است. هم اکنون تعداد محدودی از مواد غذایی و محصولات ویرایش ژنومی شده شامل محصولات زراعی، دام و ماهی به بازارهای جهانی راه یافته‌اند و محصولات بیشتری نیز در حال توسعه هستند. فناوری‌های CRISPR-Cas در حال انقلابی در صنعت کشاورزی هستند. این فناوری با قابلیت‌های منحصر به فرد خود، پتانسیل بالایی برای تحول در کشاورزی مدرن دارد و می‌تواند نقش کلیدی در تأمین امنیت غذایی جمعیت رو به رشد جهان ایفا کند. با این حال، بهره‌برداری کامل از این پتانسیل نیازمند توسعه روش‌های کارآمدتر، تحقیقات بیشتر و توجه به ملاحظات ایمنی و اخلاقی مرتبط با محصولات تراریخته است.

تثبیت صفات در اصلاح نباتات با استفاده از فناوری CRISPR-Cas

 با چالش جدایش مندلی صفات مطلوب در نسل‌های متوالی مواجه است، اما راهکارهای نوین مبتنی بر این سیستم ویرایش ژنومی، امکان تثبیت سریع صفات ارزشمند را فراهم کرده‌اند. این فناوری با بهره‌گیری از روش‌هایی مانند ویرایش چنداللی همزمان، مهندسی کروموزومی و سیستم‌های ضدجدایش، زمان مورد نیاز برای تثبیت صفات را از چندین نسل به یک نسل کاهش داده است. ویرایش همزمان چندین جایگاه ژنی مرتبط با یک صفت و ایجاد تغییرات ساختاری در کروموزوم‌ها، احتمال جدایش صفات را به حداقل می‌رساند، در حالی که سیستم‌های ضدجدایش با جلوگیری از بازترکیبی، یکپارچگی ژن‌های مطلوب را حفظ می‌کنند. اگرچه این روش‌ها نیازمند دانش دقیق از ژن‌های کنترل‌کننده صفات و طراحی پیچیده سیستم‌های ویرایش هستند، اما کارایی برنامه‌های اصلاح نباتات را به‌طور چشمگیری افزایش داده و امکان تولید ارقام با صفات تثبیت‌شده را در بازه‌های زمانی کوتاه‌مدت فراهم می‌کنند. با وجود چالش‌های تنظیمی و ایمنی زیستی، این فناوری تحولی اساسی در سرعت و دقت اصلاح نباتات ایجاد کرده است.

آپومیکسیس مصنوعی

آپومیکسیس مصنوعی با استفاده از فناوری CRISPR-Cas راهکار نوینی برای تثبیت هتروزیس و تولید بذرهای هیبریدی پایدار ارائه می‌دهد. این سیستم با شبیه‌سازی فرآیند تولیدمثل غیرجنسی، امکان تولید بذرهای ژنتیکاً یکسان با گیاه والد را از طریق دو مرحله کلیدی تشکیل گامت‌های کاهش‌نیافته (آپومایوزیس) و تخمک‌زایی بکرزایی فراهم می‌کند. مطالعات روی گیاهان مدل نشان داده که این روش می‌تواند هتروزیس را تا نسل T4 حفظ کند، هرچند با چالش‌هایی مانند کاهش باروری و وابستگی به روش‌های تراریختی مواجه است. فناوری CRISPR-Cas با امکان ویرایش دقیق مسیرهای تولیدمثلی، پتانسیل بالایی برای توسعه روش‌های عاری از ترانسژن و بهبود کارایی این سیستم دارد که می‌تواند انقلابی در تولید تجاری بذرهای هیبریدی پایدار ایجاد کند، اگرچه تحقیقات بیشتری برای بهینه‌سازی و رفع محدودیت‌های کنونی مورد نیاز است.

کاربردهای CRISPR–Cas برای بهبود محصول

فناوری CRISPR-Cas با ارائه راهکارهای متنوع، تحولی اساسی در بهبود عملکرد محصولات زراعی ایجاد کرده است. این سیستم امکان افزایش عملکرد را از طریق سه مسیر اصلی فراهم می‌کند: ۱) افزایش اندازه دانه یا تعداد دانه در هر گیاه و بهبود تراکم کشت، ۲) انتقال صفات مقاومت به تنش‌های زیستی و غیرزیستی به ارقام برتر، و ۳) تنوع‌بخشی به ذخایر ژنتیکی از طریق اهلی‌سازی سریع گونه‌های وحشی. تمامی این راهبردها با هدف نهایی افزایش تولید در واحد سطح و همزمان کاهش اثرات مخرب بر محیط زیست طراحی شده‌اند. CRISPR-Cas با توانایی ایجاد تغییرات دقیق در ژنوم گیاهان، ابزاری قدرتمند برای دستیابی به امنیت غذایی پایدار در عصر تغییرات اقلیمی محسوب می‌شود.

بهبود عملکرد گیاه

فناوری CRISPR-Cas با غیرفعال کردن تنظیم‌کننده‌های منفی صفاتی مانند وزن، طول، ضخامت و تعداد دانه‌ها، امکان بهبود عملکرد محصولات زراعی را فراهم می‌کند. مطالعات متعدد نشان داده‌اند که غیرفعال کردن ژن GW5 در مسیر سیگنالینگ براسینواستروئیدها در برنج موجب افزایش ۳۰ درصدی وزن هزار دانه شده است. همچنین، غیرفعال سازی ژن GASR7 در گندم معمولی (Triticum aestivum) که کنترل‌کننده طول دانه است، منجر به بهبود قابل توجه وزن هزار دانه شده است. جالب توجه است که این فنوتیپ‌ها در گندم هگزاپلوئید می‌توانند به صورت وابسته به دوز و از طریق ویرایش زیرژنوم‌ها (ژنوم‌های والدینی در گونه‌های هیبرید) کنترل شوند. به عنوان مثال، ایجاد جهش‌های CRISPR-Cas9 در ژن GW7 در هر دو ژنوم B و D گندم، بهبود بیشتری در عرض و وزن دانه نسبت به جهش‌های تک‌کپی ایجاد کرد. هرمی کردن جهش‌ها در چندین ژن مربوط به جایگاه‌های صفات کمی (QTL) می‌تواند عملکرد را بیشتر افزایش دهد. در این راستا، ویرایش ژنومی بهبودهای سریع عملکرد را در یک نسل ارائه می‌دهد که در روش‌های اصلاح سنتی ممکن است سال‌ها طول بکشد. به عنوان نمونه، ایجاد چندجهشی همزمان در ژن‌های GW2، GW5 و TGW6 در برنجی که قبلاً برای ژن GS3 خنثی شده بود، منجر به بهبود بیشتر این صفات و افزایش تا ۳۰ درصدی وزن هزار دانه شد. به موازات این، ایجاد چندجهشی همزمان در ژن‌های GW2، GS3 و Grain Number 1a در برنج بیشترین افزایش عملکرد در هر خوشه را به همراه داشت.

افزایش تراکم کشت نیز می‌تواند منجر به عملکرد بالاتر شود. برای دستیابی به این هدف، مهندسی محصولات فشرده‌تر مانند ارقام نیمه‌کوتاه گندم و برنج در انقلاب سبز ضروری است. در گوجه‌فرنگی، فنوتیپ هرس خودکار با غیرفعال کردن ژن‌های SP5G و ERECTA به دست آمد که به ترتیب باعث گلدهی زودرس و ساختار گیاهی فشرده‌تر می‌شوند. با این حال، موتان‌های از دست‌دهنده عملکرد می‌توانند منجر به معاوضه‌های نامطلوب در صفات عملکرد شوند. به عنوان مثال، غیرفعال کردن ژن IPA1 در برنج می‌تواند اندازه خوشه (تعداد دانه در هر خوشه) را به هزینه کاهش تعداد پنجه‌ها بهبود بخشد. این معاوضه با ایجاد یک حذف ۵۴ جفت بازی در پروموتر IPA1 برطرف شد که منجر به افزایش همزمان اندازه و تعداد خوشه‌ها و در نتیجه افزایش عملکرد دانه شد. به طور مشابه، کاهش بیان مبتنی بر ویرایش پروموتر ژن OsD18 (یک ژن کلیدی در مسیر بیوسنتز جیبرلین) به دستیابی به یک طیف نیمه‌کوتاهی معروف به صفت کمی “انقلاب سبز” در برنج کمک کرد. همچنین، یک حذف ۷۶ جفت بازی در ناحیه 5′UTR ژن YABBY1 در یک رقم خاص کدو باعث کوتاه‌تر شدن طول ساقه و ایجاد یک ساختار بوته‌ای ایده‌آل برای کشت متراکم شد. در نتیجه، ایجاد حذف‌های با اندازه‌های مختلف در این ناحیه 5′UTR با استفاده از CRISPR-Cas9 منجر به ایجاد تغییرات پیوسته در طول ساقه در کدو، خیار و طالبی شد. به طور کلی، این مطالعات نشان می‌دهند که می‌توان با تنظیم دقیق بیان ژن‌های هدف، معماری گیاه را به صورت کمی مهندسی و بهینه‌سازی کرد.

تنوع ژرم پلاسم محصولات زراعی

تنوع‌بخشی به ذخایر ژنتیکی محصولات زراعی از طریق ویرایش ژنومی

در طول هزاران سال اصلاح نباتات، انسان‌ها عمدتاً بر انتخاب صفات مرتبط با عملکرد مانند دانه‌ها و میوه‌های بزرگتر و معماری مناسب برای کشت و برداشت تمرکز داشته‌اند، در حالی که همزمان محصولات خوش‌طعم‌تر و کم‌سم‌تر را نیز انتخاب می‌کردند. این انتخاب‌های مکرر برای صفات عملکردی باعث کاهش ارزش غذایی و تنوع ژنتیکی در ارقام مدرن شده و آن‌ها را در برابر تغییرات محیطی آسیب‌پذیرتر کرده است. در مقابل، گونه‌های وحشی معمولاً از تنوع ژنتیکی بیشتر و تحمل به تنش‌های محیطی بهتری برخوردارند. امروزه با ویرایش تعداد محدودی از ژن‌ها می‌توان این گونه‌های وحشی را به سرعت اهلی‌سازی کرد و ویژگی‌های ارقام برتر را به آن‌ها منتقل نمود. به عنوان مثال، ویرایش ژن‌های SELF PRUNING، SP5G، CLAVATA 3، WUSCHEL و GGP در گوجه‌فرنگی وحشی (Solanum pimpinellifolium) منجر به ایجاد گیاهانی با معماری فشرده، عدم حساسیت به طول روز، اندازه میوه بزرگتر و سطح بالاتر اسید اسکوربیک شد. از آنجا که این نمونه‌های وحشی از قبل مقاوم به بیماری لکه باکتریایی و شوری بودند، گیاهان اهلی‌شده جدید علاوه بر فنوتیپ ارقام برتر، مزایای ذاتی تحمل به تنش و کیفیت تغذیه‌ای بالاتر را نیز حفظ کردند. مطالعات مشابه در گوجه‌فرنگی وحشی همچنین منجر به افزایش محتوای لیکوپن میوه شد. این روش در گیاهانی مانند گیلاس زمینی نیز برای بهبود صفات عملکردی و در برنج وحشی Oryza alta (که زیست‌توده بزرگتر و مقاومت به تنش بهتری نسبت به ارقام مدرن دارد) برای بهبود شش صفت زراعی مهم به کار گرفته شده است. راهکار دیگر برای گسترش تنوع ژنتیکی، غلبه بر ناسازگاری خودباروری است. به عنوان مثال، دو مطالعه مستقل با هدف قرار دادن ژن S-RNase (مسئول مهار رشد لوله گرده در خودباروری) توانستند سیب‌زمینی‌های وحشی ناسازگار را به نمونه‌های خودسازگار تبدیل کنند که قادر به تولید میوه‌های زنده هستند. این پیشرفت فرصت‌های جدیدی برای تولید ارقام جدید سیب‌زمینی از طریق دورگ‌گیری فراهم می‌کند که در روش‌های سنتی تکثیر رویشی امکان‌پذیر نبود.

بهبود مقاومت به تنش‌های محیطی

فناوری ویرایش ژنوم با کاهش خسارات ناشی از تنش‌های زیستی و غیرزیستی، امکان بهبود غیرمستقیم عملکرد محصولات زراعی را فراهم می‌کند. در زمینه مقاومت به تنش‌های غیرزیستی، این سیستم با هدف قراردادن مکانیسم‌های مولکولی، فیزیولوژیکی و مورفولوژیکی مشترک در پاسخ به خشکی و شوری، دستاوردهای چشمگیری داشته است. به عنوان مثال، غیرفعال کردن ژن‌های semi-rolled leaf 1 و 2 در برنج منجر به تشکیل برگ‌های لوله‌ای شده که با کاهش اتلاف آب، میزان بقای گیاهان را در شرایط خشکی افزایش می‌دهد. در ذرت نیز غیرفعال سازی ژن abh2 با حفظ آب بیشتر در برگ‌ها پس از تنش خشکی همراه بوده است. راهکار دیگر، اصلاح معماری ریشه از طریق ویرایش ژنوم برای جذب بهتر آب از خاک است که در گندم به اثبات رسیده است. همچنین، جایگزینی پروموتر ضعیف ژن ARGOS8 (تنظیم‌کننده منفی پاسخ به اتیلن) با پروموتر قوی ژن GOS2 از طریق ویرایش ژنومی، تحمل به خشکی را در ذرت بهبود بخشیده است. این فناوری با تقلید از تغییرات طبیعی در ناحیه تنظیمی ژن‌های مرتبط با خشکی (مانند حذف 28 جفت بازی در ناحیه 3′ UTR ژن Rtn16 در ذرت یا 108 جفت بازی در پروموتر ژن NAC071-A در گندم) نیز موفق به ایجاد مقاومت به خشکی شده است. علاوه بر این، ویرایش ژنوم در توسعه محصولات مقاوم به سرما، گرما و علف‌کش‌ها نیز کاربرد گسترده‌ای دارد. به عنوان نمونه، مقاومت به علف‌کش از طریق ویرایش ژن‌های ALS1، ACCase و EPSPS با روش‌های مختلفی از جمله ویرایش پایه، ویرایش اولیه و HDR ایجاد شده است. جالب توجه است که از تغییرات کروموزومی القا شده توسط CRISPR-Cas9 مانند وارونگی و مضاعف‌شدن نیز برای ایجاد مقاومت به علف‌کش‌ها از طریق حذف بیان ژن‌های PPO و HPPD استفاده شده است. با افزایش شناخت ما از مکانیسم‌های پاسخ به تنش‌های غیرزیستی، هدف‌های ژنتیکی جدیدی برای ویرایش شناسایی می‌شوند که پتانسیل بالایی برای توسعه ارقام مقاوم در شرایط تغییر اقلیم دارند.