محققان با افزودن نسخه دیگری از یکی از ژن های یک رقم برنج چینی، عملکرد آن را تا 40 درصد افزایش دادند. این تغییر به گیاه کمک می کند تا کود بیشتری جذب کند، فتوسنتز را افزایش می دهد و گلدهی را سرعت می بخشد که همه اینها می تواند عملکرد را افزایش دهد.
متیو پلیک متخصص ژنتیک گیاهی در مؤسسه تحقیقاتی Rothamstedt که در مطالعه جدید شرکت نداشت، می‌گوید: «افزایش عملکرد از یک ژن که همه این اثرات را ایجاد می‌کند، باورنکردنی است. فکر نمی کنم قبلاً چنین چیزی ندیده باشم. این رویکرد را می توان در محصولات دیگر نیز آزمایش کرد.” مطالعه جدید همچنین نتایج اولیه آزمایش های انجام شده بر روی گیاه گندم را گزارش می دهد.
عملکرد یک محصول کشاورزی بسیار پیچیده است زیرا متاثر از تعامل بین بسیاری از ژن ها است. برای سال‌ها، بیوتکنولوژیست‌ها به دنبال ژن‌هایی بودند که می‌توانند بازده را افزایش دهند، اما با موفقیت کمی.
در سال‌های اخیر، محققان بر روی ژن‌هایی تمرکز کرده‌اند که ژن‌های دیگر را کنترل می‌کنند و بنابراین بسیاری از جنبه‌های فیزیولوژیکی مانند جذب مواد مغذی از خاک، تنظیم سرعت فتوسنتز و هدایت منابع از برگ‌ها به دانه‌ها را کنترل می‌کنند.
اصلاح یکی از این ژن‌های تنظیم‌کننده در ذرت منجر به افزایش 10 درصدی عملکرد شد که افزایش قابل‌توجهی در مقایسه با افزایش 1 درصدی در سال به‌وسیله روش‌های سنتی اصلاح نباتات به دست آمد.
برای یافتن نامزدهای دیگری برای افزایش کارایی، گروهی از محققان به رهبری ونبین ژویک متخصص فیزیولوژی محصول از آکادمی علوم کشاورزی چین (CAAS)، 118 ژن تنظیم کننده را در برنج و ذرت مطالعه کرد. این ژن ها پروتئین هایی به نام فاکتورهای رونویسی را کد می کنند و تحقیقات قبلی نشان می دهد که ممکن است نقش مهمی در فتوسنتز داشته باشند.
تیم ژو به دنبال یافتن این موضوع بودند که آیا این ژن ها در برنج کشت شده در خاک کم نیتروژن فعال هستند یا خیر، زیرا چنین ژن هایی می توانند جذب مواد مغذی را افزایش دهند. افزایش فعالیت آنها در برنج کشت شده در خاک معمولی می تواند باعث جذب نیتروژن بیشتر گیاه و تولید بذر بیشتر شود.
محققان 13 ژن را پیدا کردند که با رشد گیاهان برنج در خاک فقیر از نیتروژن فعال می شوند. پنج مورد منجر به افزایش چهار برابر یا بیشتر در جذب نیتروژن شد. آنها یک کپی اضافی از یکی از این ژن ها، OsDREB1C، را در یک نوع برنج به نام Nipponbare وارد کردند و ژن را در گروه دیگری از گیاهان برنج غیرفعال کردند.
آزمایش‌های گلخانه‌ای انجام‌شده توسط Shaobo Wei و Xia Li از آکادمی علوم کشاورزی چین نشان داد که گیاهان بدون ژن کندتر از گیاهان شاهد رشد کردند (که در آنها ژن OsDREB1C غیرفعال شد)، در حالی که گیاهان با یک نسخه اضافی از OsDREB1C سریع‌تر رشد کردند. و ریشه های بلندتری داشت.
تغذیه خوب یکی از دلایل آن بود: ردیاب‌های ایزوتوپی نشان دادند که گیاهان با یک نسخه اضافی از ژن OsDREB1C نیتروژن بیشتری را با ریشه‌های خود جذب کردند و مقدار بیشتری از آن را به شاخه‌های خود منتقل کردند.
گیاهان اصلاح شده نیز برای فتوسنتز مجهزتر بودند. مقدار کلروپلاست ( اندام فتوسنتزی در سلول های گیاهی ) در برگ های آنها حدود 30 درصد بیشتر است. به علاوه میزان آنزیم RuBisCO در آنها حدود 38 درصد بیشتر است. آنزیم RuBisCO یکی از آنزیم های کلیدی در فتوسنتز است.
برنج اصلاح شده به مدت دو تا سه سال در مزرعه کشت می شود و در سه منطقه معتدل تا گرمسیری چین عملکرد بالاتری دارد.
مهمتر از آن، محققان همچنین با افزودن یک نسخه اضافی از ژن مذکور، گونه‌ای از برنج پرمحصول را که اغلب توسط کشاورزان کشت می‌شود، اصلاح کردند. این گیاهان در هر کرت تا 40 درصد بذر بیشتری نسبت به گیاهان گروه شاهد تولید کردند. پم رونالدیک متخصص ژنتیک برنج در دانشگاه کالیفرنیا، دیویس، می گوید: «این عدد بزرگی است.
همانند آزمایشات گلخانه ای، گیاهان اصلاح شده در مزرعه بذرهای بزرگتری داشتند و بذر بیشتری تولید کردند. استیو لانگیک فیزیولوژیست گیاهی در دانشگاه ایلینویز می‌گوید: «کاری که آنها انجام دادند این بود که یک نوع برنج واقعاً خوب برداشتند و نشان دادند که می‌توانند آن را بهتر کنند. “این بسیار متقاعد کننده تر از بهبود انواع تجربی است.”
گیاهان اصلاح شده نیز زودتر گل می دهند و بسته به محیط ممکن است مزایایی داشته باشند. به عنوان مثال، کشاورزان می توانند در هر فصل محصولات بیشتری بکارند یا قبل از اینکه گرمای تابستان به آنها آسیب برساند، محصولات را برداشت کنند.
در حالی که برنج اصلاح شده نیپونبار حدود 19 روز زودتر گل می دهد، واریته برنج معمولی کشت شده فقط دو روز زودتر گل می دهد.
برای نشان دادن پتانسیل عمومی تر، محققان ژن برنج OsDREB1C را به یک نوع گندم آزمایشی اضافه کردند و همان اثرات را مشاهده کردند.
ژن OsDREB1C و ژن های مشابه نه تنها در گیاهان برنج، گندم و گندم دوروم، بلکه در گیاهان برگریز نیز وجود دارد. محققان با افزودن نسخه دیگری به گیاه رشادی نتایج مشابهی را مشاهده کردند. رشادی گیاهی است که به خوبی مطالعه شده و به عنوان گیاه نمونه در آزمایشات مورد استفاده قرار می گیرد. نتیجه نشان دهنده نقش کلی ژن مذکور در کل خانواده گیاهی است و نشان می دهد که با این روش می توان عملکرد سایر محصولات کشاورزی را نیز افزایش داد.
محصولات تراریخته، مانند برنج تولید شده توسط تیم ژو، برای برخی از مصرف کنندگان قابل قبول نیست. اما ژو و همکارانش می‌گویند که همین افزایش عملکرد با ویرایش ژن‌های خود گیاه امکان‌پذیر است. در برخی کشورها، ویرایش ژن‌های خود گیاه نسبت به مهندسی تراریخته سخت‌تر است.
کود اضافی که در مزارع مصرف می شود با رواناب مزارع خارج می شود و آب رودخانه ها و دریاچه ها را آلوده می کند. رونالد می‌گوید یکی دیگر از مزایای این است که افزایش کارایی استفاده از نیتروژن در محصولات کشاورزی می‌تواند آلودگی رودخانه‌ها و دریاچه‌ها را کاهش دهد.