كريسبر في الزراعة: مراجعة التقنية

كريسبر في الزراعة: مراجعة التقنية
مصر -ايهاب محمد زايد

بعد 12 عامًا فقط من تطويرها، تُستخدم أداة تحرير الجينوم CRISPR في مجموعة واسعة من الطرق في الزراعة النباتية والحيوانية، من تقليل النفايات إلى تكييف النباتات والحيوانات مع تغير المناخ، ومن صنع نباتات تقاوم الأعشاب الضارة بشكل طبيعي إلى نباتات يمكن حصادها بكفاءة أكبر، ومن الغذاء إلى الوقود الحيوي والورق. كل عام، يقوم الباحثون بتكييف أدوات CRISPR لاستخدامها في أنواع جديدة، لأغراض جديدة. في هذه المقالة، سنستعرض أساسيات الهندسة الجينومية في الزراعة ثم نرسم خريطة لبعض التطورات الجديدة الأكثر إثارة، مثل التوت الخالي من البذور الذي لم يسبق له مثيل، والأفوكادو غير البني، والقنب الخالي من رباعي هيدروكانابينول، بالإضافة إلى تحديثات حول مجالات البحث التي تناولناها في مراجعتنا لعام 2022 – بالإضافة إلى ما يجب الانتباه إليه بعد ذلك!

كريسبر يلتقي بالزراعة
لقد تم استخدام التعديل الوراثي بأشكال مختلفة لعدة قرون لإنشاء نباتات محاصيل ذات سمات مرغوبة مثل صنع البطيخ الأكثر حلاوة والذي يحتوي على عدد أقل من البذور، والحيوانات الأليفة في المزارع ذات السمات مثل إنتاج الحليب العالي في الأبقار. في العقد الماضي، تميزت تقنية CRISPR باعتبارها تقنية تحرير الجينات المفضلة إلى حد كبير بسبب سرعتها ودقتها وتنوعها الذي لا مثيل له.

أربع ثورات في تربية النبات
منذ آلاف السنين، استخدم المزارعون – ومؤخرا العلماء – مجموعة من التقنيات لإنشاء محاصيل تتمتع بالسمات التي نحبها.
يمكن تشبيه نظام تحرير الجينات التقليدي CRISPR- Cas9 بمقص جزيئي يمكن للعلماء برمجته لقطع الحلزون المزدوج للحمض النووي في مواقع محددة في الجينوم. عادةً ما يتم إدخال التعديلات على النباتات والحيوانات عبر CRISPR لـ “إخراج” أو القضاء على وظيفة جين معين للحصول على سمة مرغوبة، ولكن كما سترى في هذه المقالة، يمكن استخدام CRISPR بطرق متنوعة. تعرف على المزيد حول آليات CRISPR واستخداماته في الزراعة في فصول CRISPRpedia الخاصة بنا حول تقنية CRISPR و CRISPR في الزراعة .

تبدأ العملية الطويلة المتمثلة في تطوير منتج زراعي معدّل وراثيًا، سواء كان نباتًا أو حيوانًا أو غير ذلك، في المختبر بأبحاث مكثفة وتحسين وإثبات – وهو جدول زمني قد يستغرق عدة سنوات من البداية إلى النهاية. غالبًا ما تتضمن العملية فحص الأداء في ظروف تشبه الحقل في عملية تُعرف بالتجارب الميدانية. يمكن أن توفر هذه التجارب أدلة رئيسية للجهات التنظيمية على أن التعديل الوراثي المعين سيكون له التأثير المقصود ويشكل مخاطر ضئيلة على البيئة الطبيعية أو صحة الإنسان. بعد ذلك يتم تقديم المنتج عمومًا إلى الهيئات التنظيمية (على سبيل المثال، وزارة الزراعة الأمريكية) للمراجعة. بعد الموافقة وإلغاء القيود التنظيمية، قد يبدأ المطور بعد ذلك في التسويق والتوسع والتوزيع على المزارعين أو المستهلكين. توجد عمليات مماثلة في جميع أنحاء العالم مع اختلافات طفيفة حول المعايير التي يجب استيفاؤها قبل الموافقة. لاحظ أن بعض البلدان تلزم المنتجين بإثبات أن منتجهم يحتوي على التعديل المقصود ولا يحتوي على أي جينات تأتي من كائن حي مختلف.

سنقوم بتفصيل التطورات الجديدة المثيرة باستخدام CRISPR في الزراعة ولكل مثال سنلاحظ مدى التقدم الذي وصل إليه المنتج في التطوير، من مراحل البحث الأولية إلى التجارب الميدانية المكتملة.

ملخص رسومي
إنفوجراف يوضح مراحل تطوير المنتجات الزراعية المختلفة التي تناولتها هذه الورقة في الوقت الحالي.
تتناول هذه المقالة التقدم المحرز في المنتجات الزراعية المعدلة بتقنية كريسبر من البحث المعملي إلى التوفر التجاري. وكما هو موضح في الصورة، في وقت كتابة هذه المقالة، كانت بعض المنتجات جاهزة بين المراحل: التيف المعدل بتقنية كريسبر جاهز للاختبار الميداني، في حين خضعت العديد من المنتجات (الموز غير البني، واللوبيا المبكرة الإزهار، والماشية ذات الفراء الأملس، والقنب غير المؤثر عقليًا) للاختبار الميداني ولكن لم يتم تسويقها بعد.
التحرير للآكل
تُستخدم تقنية كريسبر في تعديل نباتات المحاصيل لتلبية احتياجات المستهلكين الغذائية على نطاق واسع. سواء كان الأمر يتعلق بتحسين المذاق أو الملمس، أو تعزيز الملف الغذائي، أو إطالة العمر الافتراضي لبعض الأطعمة المفضلة لدينا، فإن مستقبل الغذاء أقرب مما نتخيل. يسلط هذا القسم الضوء على المشاريع التي تستغل تقنية كريسبر لتصميم بطاطس أفضل للتقطيع، والتوت الأسود الخالي من البذور، والموز والأفوكادو غير البني! سنقدم تحديثات موجزة عن بعض المنتجات التي تم تقديمها في مقالتنا لعام 2022 .

وضع CRISP في CRISPR
تميل البطاطس المخزنة في درجات حرارة باردة إلى تراكم المواد الكيميائية الأولية التي يمكن تحويلها عند المعالجة بدرجات حرارة عالية – مثل القلي – إلى مركب الأكريلاميد المسبب للسرطان. ولإعطائك بطاطس مقلية أكثر ودية، قدم الباحثون في جامعة مردوخ في غرب أستراليا نظام CRISPR-Cas9 إلى أحد أكثر أصناف “تقطيع” البطاطس شيوعًا، وهو Atlantic، واستخدموه بعد ذلك لتعطيل الجينات المسؤولة عن تخليق هذه السلائف. أظهرت بطاطسهم المعدلة انخفاضًا كبيرًا في السلائف الكيميائية بعد التخزين البارد. حتى أن الفريق ذهب إلى أبعد من ذلك ووجد أن الرقائق (” رقائق البطاطس” لأصدقائنا في أستراليا) المصنوعة من هذه الأصناف المعدلة من البطاطس تحتوي على ما يصل إلى 80٪ أقل من الأكريلاميد. كيس واحد من ملح البحر والخل، من فضلك!

لا داعي للقول بأن التوت الأسود الخالي من البذور في طريقه إلينا
حققت شركة Pairwise، التي طورت أول طعام محرر بتقنية CRISPR متاح في أمريكا الشمالية (المزيد عن تلك الخضروات الورقية!)، ضجة كبيرة في صيف عام 2024 عندما أعلنت عن التطورات التي أحرزتها في هندسة أول توت أسود خالٍ من البذور في العالم . لتحقيق هذه الغاية، استخدم العلماء في Pairwise تقنية CRISPR الخاصة لاستهداف الجينات المسؤولة عن حفر البذور القاسية الموجودة في التوت الأسود. يحتوي التوت الأسود الناتج، على الرغم من أنه ليس خاليًا من البذور حقًا ، على بذور أكثر نعومة ومضغًا تشبه ما نجده في العنب والبطيخ “الخاليين من البذور” المفضلين لدينا. لتحسين هذا التنوع بشكل أكبر، تم إجراء تعديلات أخرى لإزالة الأشواك والسماح للنبات بالنمو بشكل أكثر إحكاما. يعد “تكديس” هذه السمات أمرًا شائعًا لمربي النباتات، في محاولة لصنع أصناف أفضل لكل من المستهلكين والمزارعين. دخلت هذه التوت الأسود المضغوط الخالي من البذور والأشواك والبذور في التجارب الميدانية وتعمل على توسيع نطاق التسويق. يجب أن تخاف صناعة أعواد الأسنان.

خبز محمص بالأفوكادو
لا يمكننا أن ننكر ذلك – نحن نحب خبز الأفوكادو.
الأفوكادو غير المحمر
“ثلاجة! احتفظ بالبذرة! عصير الليمون!” لا يزال السؤال القديم حول كيفية الحفاظ على الأفوكادو أخضرًا وطازجًا قائمًا. يتطلع العلماء في GreenVenus إلى إنهاء هذا النقاش من خلال هندسة الأفوكادو غير البني باستخدام تقنية CRISPR. باتباع خطى ما تم إنجازه سابقًا في التفاح والموز والفطر، تم تحقيق هذا الأفوكادو غير البني عن طريق تعطيل إنزيم ، أوكسيديز البوليفينول، وهو أمر بالغ الأهمية لعملية التسمير. على الرغم من أنه لم يتم توسعته بعد، فقد أبلغت GreenVenus عن نجاحها في العديد من الأصناف التجارية وتأمل أن يساعد هذا الاختراق في تقليل هدر الطعام من خلال تحسين مدة صلاحية الأفوكادو. قريبًا لن يكون لدينا خيار سوى تناول هذا الأفوكادو الذي يبلغ من العمر أسبوعًا في مطابخنا … هل يرغب أحد في تناول الجواكامولي؟

التحديثات: أول منتج معدّل بتقنية CRISPR يصل إلى الأسواق الأمريكية والمزيد

أيقونة الخردل الأخضرالخردل الأخضر الخالي من المرارة، أول منتج معدّل بتقنية كريسبر في متاجر البقالة الأمريكية
في مراجعتنا لعام 2022 ، قدمنا ​​لك ما سيصبح أول منتج معدّل بتقنية كريسبر في سوق أمريكا الشمالية: الخردل الأخضر الخالي من المرارة ! كان توزيع هذه الخضار الورقية مقتصرًا في البداية على عدد قليل من مواقع تقديم الطعام على مستوى البلاد. أبرمت الشركة التي تقف وراء التطوير، Pairwise، مؤخرًا صفقة مع باير لتوسيع تسويق الخضار الرائد وإحضاره إلى متجر بقالة بالقرب منك.

أيقونة الموزالموز غير المتحول إلى اللون البني يحصل على الضوء الأخضر في الفلبين
بينما ننتظر بصبر جهود التسويق الجارية لإدخال الموز غير المتحول إلى اللون البني إلى قسم المنتجات المحلية لدينا، كانت شركة Tropic Biosciences – الشركة التي تقف وراء الفاكهة المعدلة بواسطة CRISPR – مشغولة بنشر الكلمة. خلال صيف عام 2024، اعتبرت وزارة الزراعة الفلبينية ومكتب صناعة النبات أن الموز المحرر غير معدّل وراثيًا وأعطت الضوء الأخضر للاستيراد والتكاثر.

أيقونة الطماطمطماطم فيتامين د:
أجريت في البداية تعديلات هندسية لزيادة إنتاج السلائف لفيتامين د والتي تتراكم بعد التعرض للأشعة فوق البنفسجية في الطماطم المعملية . نتوقع تطبيق تعديلات مماثلة على أصناف الطماطم التجارية بعد ذلك، بالإضافة إلى أقارب الخضروات الأخرى من عائلة الباذنجان مثل الباذنجان والبطاطس والفلفل.

التحرير للمزارعين
من غير المرجح أن تلبي المستويات الحالية لإنتاج المحاصيل مضاعفة الطلب العالمي على الغذاء بحلول عام 2050. ومن بين التحديات العديدة التي يواجهها المزارعون، فإن إدارة الآفات في المحاصيل وانتشار الأمراض المعدية بين الماشية هما تحديان يمكن أن يؤديا إلى إنتاجية دون المستوى الأمثل للمزارعين. يقدم هذا القسم مشاريع جديدة مثيرة باستخدام CRISPR لتعزيز القدرة على الصمود في مواجهة الآفات والأمراض، فضلاً عن تحسين بنية المحاصيل لتسهيل الحصاد. وسنقدم لك أيضًا تحديثات موجزة عن المنتجات المذكورة في مقالتنا السابقة .

أيتها الساحرة من فضلك…
الذرة الرفيعة هي محصول حبوب أساسي يزرع على مستوى العالم، ويوفر مصدرًا رئيسيًا للحبوب للغذاء والمواد الخام. ومع ذلك، في أفريقيا، يتعرض محصول الذرة الرفيعة للتهديد من قبل نبات طفيلي موجود في كل مكان، Striga hermonthica، والمعروف أيضًا باسم “عشبة الساحرة”، حيث يمكن العثور على بذوره في أكثر من نصف الأراضي الزراعية المتاحة. تعمل المركبات الكيميائية من جذور الذرة الرفيعة على تحفيز نمو بذور عشبة الساحرة التي تغزو بعد ذلك على الفور نظام جذر الذرة الرفيعة لتستولي على الماء والمغذيات على حساب الذرة الرفيعة المضيفة. توجد أصناف برية مقاومة بشكل طبيعي من الذرة الرفيعة وهي قادرة على تحمل الإصابة بسبب المتغيرات الجينية التي تغير المركبات التي تساعد عادة بذور عشبة الساحرة على النمو. يهدف الباحثون في جامعة كينياتا في نيروبي بكينيا إلى إعادة إنتاج هذه الطفرات المفيدة في أصناف الذرة الرفيعة المستأنسة باستخدام CRISPR على أمل أن توفر بعض المقاومة للإصابة دون الاعتماد على وجود الجينات المتحولة أو الحمض النووي الغريب. خضعت بذور الذرة الرفيعة المعدلة وراثيًا للتجارب الميدانية هذا الصيف، مما يجعلها واحدة من أولى البذور التي تصل إلى التربة الأفريقية. مضاعفة مضاعفة، مع الأعشاب الضارة في ورطة!

سمك السلور الأزرق
مزيد من الأسماك، ومضادات حيوية أقل
سمك السلور مع جانب من التمساح،
قبلة الشيف
في تربية الأحياء المائية، يمكن أن تفرض الخسارة الناجمة عن الأمراض المعدية عبئًا ماليًا ضخمًا على مزارعي الأسماك. يتم تطبيق المضادات الحيوية بشكل روتيني لعلاج الأوبئة ولكن الإفراط في الاعتماد يزيد من خطر تطوير سلالات بكتيرية مقاومة ويمكن أن يكون له آثار ضارة على صحة الإنسان. النهج البديل الواعد هو استخدام جينات الببتيد المضادة للميكروبات أو AMGs، والتي تندمج في جينوم المضيف وتوفر مقاومة محسنة لمجموعة من مسببات الأمراض . تاريخيًا، اعتمد الإدخال المتحول وراثيًا لـ AMGs على إدخال AMGs في مكان عشوائي في الجينوم مما قد يؤدي إلى مشاكل إذا كان يقع في جين موجود أو موضع أهمية. في نهج إثبات المفهوم الأخير، قامت مجموعة بحثية من جامعة أوبورن بتسخير نظام CRISPR-Cas9 لإدخال AMG مشتق من التمساح المعروف باسم cathelicidin في جينوم سمك السلور الأزرق في مكان محدد في الجينوم. ولتحقيق هذه الخصوصية ومنع احتمال انتشار الجين المنقول بشكل غير مرغوب فيه، تم إدخال جين الكاثليسيدين في مكان يمنع سمك السلور الأنثى من الوصول إلى مرحلة النضج التناسلي ما لم يتم علاجه بهرمونات خارجية. بعبارة أخرى، لن تتمكن سمكة السلور المصابة بـ AMG من التكاثر ونقل مادتها الوراثية إلا بطريقة خاضعة لرقابة شديدة (أي تربية الأحياء المائية). وأظهر فريق البحث تحسنًا في معدلات البقاء ومقاومة البكتيريا بين سمك السلور الأزرق المعدل وراثيًا ولم يكن له أي تأثير على النمو أو الشكل العام. تأتي مثل هذه الأساليب المعدلة وراثيًا بطبيعتها مع المزيد من العقبات التنظيمية، لكن هذا الخط الجديد من سمك السلور الأزرق المقاوم للأمراض يمكن أن يساعد مربي الأحياء المائية في التخفيف من استخدام المضادات الحيوية التقليدية ويضع سابقة في هندسة الماشية المعدلة وراثيًا من خلال تقنيات تحرير الجينات الحديثة. من سيأتي إلى حفل سمكة القلي؟؟

بازلاء سوداء العينين
في جنوب الولايات المتحدة، يُعتقد أن هذه الفاصولياء الجميلة تجلب الحظ السعيد إذا تم تناولها في يوم رأس السنة الجديدة.
البازلاء المبكرة الإزهار تجعل
الحصاد الآلي ممكنًا
البازلاء السوداء هي محصول استوائي يوفر مصدرًا حيويًا للبروتين والكربوهيدرات لكل من البشر والماشية. في حين تتوقف العديد من المحاصيل عن النمو بمجرد وصولها إلى مرحلة النضج الجنسي، فإن السمة المميزة لبعض أصناف البازلاء المزروعة في الحقل هي قدرتها على النمو بشكل مستمر. وهذا يجعلها تزهر وتنمو البذور بطريقة غير متزامنة مما يجعل الحصاد بكميات كبيرة أمرًا صعبًا. في أوائل عام 2023، أعلن العلماء في BetterSeeds عن نيتهم ​​​​في بدء التجارب الميدانية لأول لوبيا معدلة وراثيًا تسمح بالحصاد الآلي. لتحقيق هذه الغاية، تم استخدام التكنولوجيا الخاصة لتقديم أدوات تحرير CRISPR التي تستهدف الجينات المسؤولة عن بنية النبات ووقت الإزهار. نمت نباتات البازلاء المعدلة الناتجة بشكل أقوى عموديًا وأزهرت في مزامنة، مما جعل الحصاد الآلي ممكنًا. تم إلغاء تنظيم هذه البازلاء الكثيفة من قبل وزارة الزراعة الأمريكية في أواخر العام الماضي. انتهى فول الصويا، هناك فاصوليا جديدة في المدينة.

تحديث: الموافقة على قانون منع زراعة التيف في الولايات المتحدة الأمريكية
في مراجعتنا لعام 2022 ، وصفنا أساليب تحرير الجينات المتبعة في التيف، وهو محصول حبوب حيوي في إثيوبيا، لتقليل الخسائر الناجمة عن “الانحناء”، وهي العملية التي تنحني فيها السيقان تحت وطأة الحبوب الثقيلة بالقرب من قمة النبات. وقد اعتبرت وزارة الزراعة الأمريكية منذ ذلك الحين أن التعديلات التي تم إدخالها لتطوير هذا التيف المضاد للانحناء من غير المرجح أن تشكل أي مخاطر متزايدة وألغت تنظيم استخدامها. والخطوة التالية هي التجارب الميدانية!

التحرير من أجل كوكب ديناميكي
في عام 2023، وصلت درجات الحرارة العالمية إلى أعلى مستوياتها في التاريخ المسجل، ومن المتوقع أن يصبح عام 2024 العام الأكثر سخونة على الإطلاق. ترتبط هذه الزيادة غير المسبوقة في درجات الحرارة ارتباطًا وثيقًا بانبعاثات الغازات المسببة للانحباس الحراري العالمي الناجمة عن أنشطة الإنسان. تؤدي درجات الحرارة المرتفعة إلى أنماط طقس شديدة لا يمكن التنبؤ بها، وجفاف، وتربة أكثر ملوحة – وكل هذا يعرض الإنتاجية الزراعية العالمية للخطر. لقد سلطنا الضوء سابقًا على جهود تحرير الجينات للتخفيف من هذه التأثيرات والتي شملت تعزيز تحمل الحرارة لدى الماشية وتحسين مقاومة الأمراض لدى القمح والخنازير. سيعرض هذا القسم المشاريع الجارية لتطوير المحاصيل كمصادر وقود بديلة وأكثر ملاءمة لتغير المناخ.

زهور البنس
زهرة البنس المزهرة
البنجر المحرر جينيًا
يوفر لك التغطية
إن الحد من اعتمادنا على الوقود الأحفوري والتحول نحو مصادر الطاقة المتجددة سيكون حاسما في الجهود المبذولة لمكافحة تغير المناخ. محاصيل البذور الزيتية – كما يوحي اسمها – هي نباتات تزرع من أجل بذورها الغنية بالزيت والتي يمكن استخدامها في التطبيقات الطهوية والصناعية. الزيت المشتق من فول الصويا وعباد الشمس والكانولا من بين أكثر الزيوت شيوعا في الولايات المتحدة. قد نضيف قريبا CoverCress إلى القائمة، وهو نوع معدل وراثيا من البنسكريس طورته شركة التكنولوجيا الزراعية التي تحمل الاسم نفسه. البنسكريس هو عشب شائع من عائلة الكرنب اكتسب شعبية على مدى العقود القليلة الماضية كمحصول غطاء لأشهر الشتاء خارج الموسم. إن محتواه العالي من الزيت (>30٪) يجعله مناسبًا بشكل خاص للوقود الحيوي والمواد الخام، لكنه لم يجد موطئ قدم تجاريًا بعد جزئيًا بسبب المستويات العالية من حمض الإيروسيك (مركب سام محتمل في جرعات كبيرة) وقابليته لتفتيت البذور، أو تشتت البذور عن غير قصد. ولتطوير صنف حقلي محسن من نبات البنجر، قام الباحثون في شركة CoverCress بحذف الجينات اللازمة لتراكم حمض الإيروسيك وتفتيت البذور. وأفادت التقارير أن التعديلات في نبات البنجر أدت إلى تقليل محتوى حمض الإيروسيك في زيت البذور إلى أقل من 2% مقارنة بأكثر من 35% في نبات البنجر غير المحرر. وبالمثل، أفادت التقارير أن التعديلات قللت من تفتيت البذور المبكر بنسبة تصل إلى 90%. وقد أصبحت هذه التحسينات الزراعية، إلى جانب تحسينات أخرى يجري تطويرها في شركة CoverCress، ممكنة من خلال الجمع بين أدوات تحرير الجينات الدقيقة وتقنيات تربية المحاصيل التقليدية. وقد تم إلغاء تنظيم نبات البنجر من قبل وزارة الزراعة الأمريكية وبدأت الجهود الأولى للتسويق في عام 2023.

هل تريد أشجارًا أكثر استدامة؟ إنه خيار شائع
سواء كانت الأكياس الورقية التي تستخدمها لحمل مشترياتك، أو النقود المستخدمة لشراء تلك البقالة، أو الإيصال الذي يذكرك بأن شراء الزعفران العضوي بكميات كبيرة لا يجعله أرخص، فإن الورق والمنتجات الأخرى القائمة على الخشب تشكل ركيزة أساسية في حياتنا اليومية. وعلى الرغم من انتشارها، فإن تطبيق أدوات تحرير الجينات في الأشجار تأخر مقارنة بالمحاصيل الأخرى، ويرجع ذلك جزئيًا إلى أعمارها الطويلة وجينوماتها المعقدة. في جهد اختراقي حديث، نجح الباحثون في جامعة ولاية كارولينا الشمالية في نشر CRISPR في أشجار الحور لتعزيز خصائص الخشب لإنتاج الألياف. يعد اللجنين الموجود في الأشجار أحد العوائق الرئيسية في معالجة ألياف الخشب. يمنح اللجنين الأشجار بنيتها الصلبة، مما يسمح لها بالوصول إلى ارتفاعات مثيرة للإعجاب. ومع ذلك، بالنسبة لمصانع ألياف الخشب، فإن اللجنين المرتفع يحد من كفاءة معالجتها. وكما قد تتخيل، فإن مجرد إزالة تخليق اللجنين من الأشجار تمامًا يأتي على حساب نمو الأشجار. وبدلاً من ذلك، طبقت مجموعة البحث في ولاية كارولينا الشمالية استراتيجية معقدة لتحرير الجينات باستخدام CRISPR والتي استهدفت في الوقت نفسه ما يصل إلى ستة جينات مختلفة تشارك في التخليق الحيوي لليجنين والكربوهيدرات الخشبية الأخرى. أدت التعديلات إلى زيادة متزامنة في الكربوهيدرات الحيوية لألياف الخشب وانخفاض متواضع في محتوى اللجنين، كل ذلك دون إعاقة النمو الكلي للشجرة. من المحتمل أن يكون الخشب من أشجار الحور المعدلة بواسطة CRISPR أكثر ملاءمة لإنتاج الألياف والحد من التأثير البيئي المرتبط بمعالجة الأخشاب الصناعية. يأمل فريق البحث بعد ذلك في إجراء تجارب ميدانية طويلة الأجل مع أصناف الحور المعدلة.

أونيغيري
لا توجد طريقة خاطئة لتناول الأرز، لكننا نفضل الأونيغيري.
علاج الأرز باستخدام تقنية كريسبر
مع توقع وصول عدد سكان العالم إلى ما يقرب من عشرة مليارات بحلول عام 2050، فإن الحاجة إلى محاصيل ذات إنتاجية محسنة ومرونة مناخية لم تكن أقوى من أي وقت مضى. يعد تحسين عملية التمثيل الضوئي ، وهي العملية الأساسية التي تستخدم بها النباتات طاقة الضوء لتحويل ثاني أكسيد الكربون والماء إلى كتلة حيوية مثل الأوراق والحبوب، أحد الأساليب الواعدة. أظهرت الأبحاث السابقة أن الإفراط في التعبير عن جينات معينة مرتبطة بالتمثيل الضوئي يمكن أن يؤدي إلى تحسين الكفاءة وزيادة الغلة. ومع ذلك، يؤدي وجود الجينات المحورة إلى تنظيم أكثر صرامة ويمكن أن يكون عرضة للإسكات عبر الأجيال. لتجنب هذه المضاعفات المحتملة، استخدم فريق بحثي بقيادة المحقق في IGI كريشنا نيوغي تقنية CRISPR لتوليد الإفراط في التعبير الخالي من الجينات المحورة لجين التمثيل الضوئي الرئيسي في الأرز . حقق فريق نيوغي ذلك من خلال استهداف تسلسل الحمض النووي المجاور للجين، والذي يتحكم في متى وكمية البروتين المصنوع من الجين، باستخدام محررين متعددين في وقت واحد. وقد أدى هذا إلى “إعادة ترتيب” تسلسل الحمض النووي مما أدى إلى زيادة إنتاج البروتين بواسطة الجين غير المحرر. وقد تحسنت قدرة نباتات الأرز المحررة على تحمل الضرر الناجم عن شدة الضوء العالية وكفاءة استخدام المياه المحسنة. وتسلط مثل هذه الجهود الضوء على CRISPR ليس فقط كأداة لتحرير الجينات ، ولكن كأداة لتحرير الجينوم قادرة على تحرير أي جزء من الجينوم تقريبًا، وليس فقط التسلسلات التي تشفر البروتينات. ومع تعميق فهمنا لجينومات المحاصيل، نتوقع استخدام هذه الأدوات بطرق إبداعية بشكل متزايد.

التحديثات: أبقار ذات شعر قصير وخنازير مقاومة للفيروسات

مراجعة الرعاية الاجتماعية تجد أن الماشية ذات الفراء الأملس أفضل حالًا في ظل الظروف الحالية في
مراجعتنا لعام 2022 ، سلطنا الضوء على الماشية المعدلة وراثيًا المعتمدة من إدارة الغذاء والدواء والتي تتميز بفرائها الأملس المقاوم للحرارة. حللت مراجعة حديثة فوائد الرعاية الاجتماعية لهذه الأبقار “المتسامحة مع الحرارة” ووجدت أن هناك آثارًا غير مقصودة ضئيلة مقارنة بنظيراتها غير المعدلة، ولا يشكل أي منها خطرًا على سلامة الحيوان. ومع ذلك، يزعم المؤلفون أنه في حين أن الماشية المعدلة وراثيًا أكثر تحملاً لدرجات الحرارة في ظل الظروف الزراعية الحالية، فإن تحسن الرعاية الصافي يمكن أن ينفي في البيئات ذات الضغوطات الشديدة. إن تحمل الحرارة لا يعني أنها محصنة ضد الحرارة. لكن البقرة التي ترتدي مظلة ونظارة شمسية ستكون لطيفة جدًا، فقط أقول … اقرأ المزيد حول دراسة الحالة هذه في فصل CRISPRpedia الخاص بنا حول CRISPR & Ethics .

رمز الخنزيرنهج جديد يؤدي إلى خنازير مقاومة للفيروسات
استخدمت شركة Genus التي يقع مقرها في المملكة المتحدة نهج تحرير CRISPR-Cas9 لتعطيل بروتين سطح الخلية المتورط في العدوى الفيروسية لحماية الخنازير من متلازمة التكاثر والجهاز التنفسي الخنزيرية، وهو مرض مميت يصيب الخنازير في جميع أنحاء العالم. كان نهج مماثل على جين مختلف تمت مناقشته في مراجعتنا السابقة فعالاً ولكنه أدى إلى آثار جانبية غير متوقعة بما في ذلك إعتام عدسة العين. قدمت شركة Genus هذا النهج الجديد في العديد من أصناف الخنازير القابلة للتطبيق تجاريًا وتأمل في رؤيتها خالية من القيود التنظيمية في الأشهر المقبلة.

ما هي رذيلتك؟
صرح كاري موليس، الحائز على جائزة نوبل والمخترع لتقنية تفاعل البوليميراز المتسلسل ، أن هذه التقنية الرائدة لم تكن لتوجد لولا استخدامه المعتاد للمواد المخدرة. وفي حين أننا لا نستطيع ولا نتسامح مع تناول المواد غير المشروعة، فإن الانغماس في الملذات المذنبة مثل الحلوى أو كأس من النبيذ هو أرضية مشتركة يمكن للمستهلكين والمزارعين والباحثين على حد سواء الالتقاء فيها. يسلط هذا القسم الضوء على جهود تحرير الجينات الجارية لإعادة تصور بعض المواد الاستهلاكية المفضلة لديك. استمتع بمسؤولية!

إعادة صياغة المبردات
مع إقرار استخدام القنب الترفيهي قانونيًا في أكثر من نصف الولايات المتحدة واعتراف ما يقرب من اثنتي عشرة ولاية أخرى بفوائده الطبية، لا يمكن إنكار طفرة الماريجوانا. يقود الباحثون في مركز ابتكار المحاصيل بجامعة ويسكونسن التهمة في هندسة أصناف القنب المعدلة وراثيًا بعد أن طوروا سلالة Badger G، وهي سلالة غير نفسية مصممة لتقليل خسائر المحاصيل. يميل أولئك الذين يتناولون منتجات القنب الترفيهية إلى تجربة التأثيرات النفسية والمسكنة الناجمة عن المستويات العالية من جزيئات القنب الموجودة في الزهور، وعادةً ما تكون في شكل THC أو CBD. تم استخدام أجزاء أخرى من نبات القنب لصنع ألياف القنب، والتي تم استخدامها لصنع القماش لعشرات الآلاف من السنين، وكذلك منتجات مثل الورق. ومع ذلك، بموجب القيود الحالية التي أقرها قانون المزرعة لعام 2018، لا يمكن استخدام مادة القنب التي تتجاوز مستوى THC بنسبة 0.3٪ للأغراض الصناعية. يمكن أن يؤدي هذا إلى التخلص من ربع المحصول تقريبًا. في محاولة للحد من النفايات وتطوير صنف أكثر ملاءمة للصناعة، استخدمت مجموعة البحث في جامعة ويسكونسن تقنية كريسبر لإخراج جين سي بي دي إيه إس الضروري لتخليق سي بي دي و تي إتش سي. فشلت نباتات القنب المعدلة لاحقًا في تخليق كل من سي بي دي و تي إتش سي. تم إلغاء تنظيم بادجر جي من قبل وزارة الزراعة الأمريكية في وقت سابق من هذا العام، مما أعطى الضوء الأخضر للتسويق والتهجين. القنب نعم!

العنب الأخضر على الكرمة
شاردونيه، ابق! تحسين مقاومة الأمراض في العنب
إننا نقترب من الوقت الذي قد تتذوق فيه بعض أنواع النبيذ المفضلة لديك المصنوعة من العنب المحرر باستخدام تقنية كريسبر. ويتجلى هذا في الجهود التعاونية مثل VitisGen، وهو مشروع ممول من وزارة الزراعة الأمريكية منذ عقود لتسهيل تطوير أصناف العنب المحسنة. ويتمثل أحد الأهداف الأساسية للمشروع في فهم الأساس الجيني الذي يمنح بعض أنواع العنب مقاومة لمرض البياض الدقيقي، وهو مرض فطري يصيب بعض الأصناف المفضلة في العالم. ومن خلال الاستفادة من أدوات مثل كريسبر، يمكن بعد ذلك تسخير هذه المعلومات لإدخال نفس التعديلات الجينية التي تمكن من المقاومة على عنب شاردونيه، على سبيل المثال، دون تغيير السمات المواتية المتعلقة بلونه أو مذاقه. ويمكن أن يقلل هذا النهج أيضًا من كمية المبيدات الحشرية اللازمة لعلاج تفشي الأمراض. وقد شهدت مشاريع أخرى جارية تهدف إلى تحسين متغيرات كاس للعنب وتحسين مقاومة مسببات الأمراض الفطرية الأخرى نتائج ناجحة.

هل تحب الحلويات؟ تحسين هندسة قصب السكر
قد يحالف الحظ أولئك الذين يتطلعون إلى إرضاء رغبتهم في تناول الحلوى. فقد نشر باحثون في جامعة فلوريدا مؤخرًا عملهم الذي قدموا من خلاله نظام كريسبر في قصب السكر لتحسين الغلة. يمثل قصب السكر أحد المحاصيل الأكثر شهرة على مستوى العالم، وكما يوحي اسمه، فهو أحد المصادر الأساسية للسكر الشائع على المائدة. وقد أثبتت الجهود المبذولة لتعديل قصب السكر وراثيًا بطريقة مستهدفة صعوبتها، ويرجع ذلك جزئيًا إلى جينومه الكبير والمعقد والصعوبات المتعلقة بتوصيل الأدوات الجينومية والتجديد. تغلبت مجموعة أبحاث جامعة فلوريدا مؤخرًا على هذه العقبات وأدخلت تعديلات على جينات قصب السكر التي يُعتقد أنها مسؤولة عن بنية الأوراق وتطورها. وبشكل أكثر تحديدًا، تشارك مجموعة الجينات المستهدفة في تطوير اللسين، أو جزء الورقة الذي يلتصق بالساق الأساسي. من خلال تعديل هذه الجينات، تمكن الفريق من تغيير الزاوية التي تظهر بها الأوراق من الساق الأساسي، وبالتالي زيادة كفاءة التقاط الضوء. وفي سلالة معينة، أظهر الباحثون أن خفض نسبة 12% من الجين المستهدف كان كافياً لخفض زاوية الأوراق بنحو النصف، مما أدى إلى زيادة مذهلة في الكتلة الحيوية بنسبة 18%. وسوف توضح التجارب الميدانية المستقبلية ما إذا كانت الطفرات المدخلة لها تأثير على إجمالي إنتاج السكر وما إذا كانت التغيرات الفسيولوجية الأخرى قادرة على تعزيز إنتاج قصب السكر. وهناك نكتة طبيب أسنان في مكان ما هنا…

توسيع مجموعة أدوات CRISPR
غالبًا ما يُشبَّه نظام تحرير الجينات التقليدي CRISPR-Cas9 بمقص جزيئي يمكن للعلماء برمجته لقص الحمض النووي في مكان محدد في الجينوم. عندما يتم قطع الحمض النووي، فإنه يخلق فرصة لتغيير الحمض النووي في موقع القطع. تتضمن المكونات الأساسية التي يتألف منها نظام CRISPR-Cas9 بروتين Cas9 (“المقص”) وجزيء RNA الموجه ، والذي يوجهه إلى المكان المحدد في الحمض النووي. تعرف على المزيد حول بيولوجيا CRISPR من خلال الموارد التعليمية لـ IGI ، والتي تتراوح من الأساسي إلى المتقدم .

إن التغييرات التي طرأت على إنزيم Cas9، والحمض النووي الريبي الموجه نفسه، واكتشاف بروتينات Cas الجديدة التي تقطع الحمض النووي ، تعمل على توسيع قدراتنا على تحرير الجينات وتوفر أدوات جديدة يمكن للعلماء استخدامها في أنظمتهم الزراعية المفضلة. يسلط هذا القسم الضوء على بعض الابتكارات الحديثة في تقنية CRISPR-Cas لتحسين دقتها وكفاءتها واستخدامها في مجموعة أوسع من الأنواع.

كاس 9 جديد لتحرير جينومات النباتات
أفادت مجموعة بحثية مقرها الصين مؤخرًا عن بروتين Cas9 جديد تم العثور عليه في البكتيريا الحيوية Lactobacillus rhamnosus . هذا المتغير، المسمى LrCas9 ، يعدل الحمض النووي بكفاءة أكبر من Cas9 التقليدي في الخلايا النباتية من مجموعة متنوعة من المحاصيل بما في ذلك الأرز والقمح والطماطم وأشجار الصنوبر. كما قام فريق البحث بتعديل بروتين LrCas9 حتى يتمكن من إجراء نسخة من التحرير القائم على CRISPR تسمى تحرير القاعدة ، حيث يتم إجراء تغييرات صغيرة في الحمض النووي دون قطع الحلزون المزدوج للحمض النووي، بالإضافة إلى تشغيل الجينات وإيقاف تشغيلها. يمكن للعلماء العثور على موادهم على AddGene .

صورة مجهرية لفطر الاسبيريليجوس
الاسبريليجس تحت المجهر
فطر بيننا
أيقونة Aspergillus oryzaeتركز معظم جهود تحرير الجينوم في الزراعة على النباتات والحيوانات. ولكن ماذا عن الفطريات؟ قام باحثون في جامعة كاليفورنيا في بيركلي مؤخرًا بتطوير مجموعة أدوات بيولوجية، بما في ذلك نظام CRISPR-Cas9، لفطر Aspergillus oryzae . يُعرف هذا الفطر الصالح للأكل بدوره في تخمير منتجات مثل صلصة الصويا والميسو، ولديه القدرة على الاستخدام في صناعة اللحوم البديلة نظرًا لإنتاجه العالي من البروتين والملمس المرغوب فيه. باستخدام مجموعة الأدوات التي طوروها حديثًا، تمكن الفريق من تحسين الصفات الغذائية والحسية (على سبيل المثال، اللون والملمس) للفطر. تتوفر سلالات الفطريات ومجموعة الأدوات الجزيئية للباحثين من خلال موقع JBEI Public Registry .

هل تريد أن تجعله مزيجًا؟
طورت مجموعة بحثية مقرها جامعة ماريلاند نظام CRISPR-Cas معدّل أطلقوا عليه اسم CRISPR-Combo والذي يسمح للعلماء بتعديل الجينات وتشغيلها – أي جعل الخلية التي تنتج البروتين المشفر بواسطة الجين – في نفس الوقت. لقد استخدموا هذا النظام لتقديم دليل بصري لإخبار العلماء بسرعة عن النباتات التي يتم تعديلها ببساطة عن طريق البصر. يمكن للعلماء العثور على موادهم على AddGene ..

ما الذي يجب الانتباه إليه
لقد شهد العامان الماضيان ظهور مجموعة من المنتجات الزراعية المحررة بتقنية كريسبر، بما في ذلك الطماطم المحسنة بالمغذيات، والأسماك والمحاصيل الحبوب المقاومة للأمراض، والبطاطس التي قد تكون أكثر صحة. وفي حين لم نرَ بعد منتجات معدلة بتقنية كريسبر تصل إلى أرفف المتاجر بأعداد كبيرة، ولا تزال هناك تساؤلات حول قبول المستهلك، فقد تم تحقيق تقدم ملحوظ في تحرير المحاصيل المعدلة وراثيًا والدفع نحو التسويق التجاري. تسمح هذه التطورات، مدفوعة بالجهود المبذولة في كل من القطاعين الأكاديمي والخاص، للباحثين في شركات مثل Pairwise وCoverCress بالوعد بفواكه وخضروات المستقبل مثل التوت الأسود الخالي من البذور والجرجير المحسن. حتى أن Pairwise أعلنت مؤخرًا عن اختراقات كبيرة في الجهود المبذولة لتطوير صنف من الكرز الخالي من البذور !

إن المستهلكين والمزارعين وباحثي المناخ على حد سواء سوف يستفيدون من إمكانيات تحرير الجينات التي تبدو بلا نهاية والتي توفرها كريسبر، فضلاً عن السرعة والإبداع اللذين ينشر بهما العلماء هذه التقنية في أنظمتهم المفضلة. ومع تطور أدوات تحرير الجينات القائمة على كريسبر، نتوقع أن نرى استراتيجيات تحرير معقدة بنفس القدر مثل استهداف جينات متعددة في وقت واحد ، وإنزيمات كاس متعددة الوظائف، وإضافة مواد جينومية جديدة في نقاط محددة في الجينوم، والتعديلات التي تؤدي إلى تغييرات قابلة للبرمجة في كمية البروتين المصنوع من جين معين. كما نتوقع أن يتوسع تحسين كريسبر إلى ما هو أبعد من أنواع المحاصيل الأساسية إلى أنواع نباتية وحيوانية أكثر تعقيدًا من الناحية الجينومية، وأصناف المحاصيل التجارية، والأصناف المتباينة المزروعة في المزارع الصغيرة. قد لا يوجد نظام كريسبر كاس واحد يناسب الجميع، ولكن مع توسع مجموعة أدوات تحرير الجينات، سيتوسع نطاق المنتجات التي يتم تحريرها لصالح البشر والمزارعين