امروزه کشاورزی با چالشی بی سابقه ای مواجه است. زمین های قابل کشت در اثر فرسایش و تخریب خاک، بیابان زایی و فرآیندهای مخربی که با تغییرات آب و هوایی شتاب بیشتری می گیرند، کاهش می یابد. بیش از هر زمان دیگری، خشکسالی یک تهدید بزرگ برای کشاورزی در سراسر جهان است. سازمان خواربار و کشاورزی ملل متحد (FAO) مستند کرده است که بین سال‌های 2005 تا 2015، خشکسالی 29 میلیارد دلار خسارت مستقیم به کشاورزی در کشورهای در حال توسعه وارد کرده است. علاوه بر این، بیش از 70 درصد از آب شیرین موجود جهان برای آبیاری استفاده می شود. برای رویارویی با این چالش ها، پرورش دهندگان نباتات باید شروع به تولید گونه های جدید زراعی کنند که عملکرد را افزایش داده و در مقابل تنش های غیرزیستی متحمل باشند. در زراعت، خشکسالی را می توان به طور کلی به عنوان کمبود طولانی مدت آب تعریف کرد که بر رشد و بقای گیاه تأثیر می گذارد و در نهایت باعث کاهش عملکرد محصول می شود. در علوم گیاهی، گسترده‌ترین تعریف تنش خشکی با تعریف کمبود آب مطابقت دارد، که زمانی اتفاق می‌افتد که میزان تعرق از جذب آب بیشتر شود. این می تواند نتیجه کمبود آب و همچنین افزایش شوری یا فشار اسمزی باشد. از دیدگاه زیست شناسی مولکولی، اولین رویداد در طول تنش خشکی از دست دادن آب از سلول یا کم آبی است. کم آبی گیاه معمولا سیگنال هایی را تحریک می کند که اسمزی و مرتبط با هورمون آبسیزیک اسید (ABA) است. پاسخ به این سیگنال ها از سه طریق در گیاه رخ می دهد: ۱) فرار از خشکسالی، ۲) اجتناب از کم‌آبی، و ۳) تحمل کم‌آبی یا خشکی. فرار از خشکسالی عبارت است از تلاش یک گیاه برای تسریع زمان گلدهی قبل از اینکه شرایط خشکی مانع بقای آن شود. این پاسخ برای گیاهان یکساله مشترک است و توسط پرورش دهندگان گیاهان غلات مورد بهره برداری قرار می گیرد. در اجتناب از کم آبی، گیاه قادر است محتوای نسبی آب بالایی را حتی در زمان کمبود آب حفظ کند. این امر با پاسخ های فیزیولوژیکی و مورفولوژیکی حاصل می شود که شامل کاهش تعرق از طریق بسته شدن روزنه به واسطه ABA، رسوب موم های کوتیکولی و کاهش سرعت چرخه زندگی گیاه می شود. اجتناب از کم آبی معمولاً از طریق تأخیر در رشد گیاه به بقا و در نتیجه پیری و مرگ منجر می شود. این استراتژی به عنوان پاسخی به تنش خشکی متوسط و موقت تکامل یافته است که در آن گیاه تا بارندگی بعدی (یا آبیاری بعدی) در حالت آماده باش رشد قرار می گیرد. از طرف دیگر، در تحمل کم آبی، گیاه قادر است عملکرد خود را در حالت کم آبی با تنظیم متابولیسم گیاه برای افزایش تولید قندها، محافظت کننده های اسمزی، آنتی اکسیدان ها و گونه های فعال اکسیژن (ROS) حفظ کند. این پاسخ‌ها معمولاً توسط سیگنال‌دهی جیبرلیک اسید (GA) فعال می‌شوند. در نهایت، مقاومت به خشکی با واکنش به موقع یک گیاه در تغییر شرایط محیطی، اتخاذ و ترکیب استراتژی های فوق الذکر در پاسخ به کاهش دسترسی به آب تعیین می شود. پرورش دهندگان گیاهان، صفات فیزیولوژیکی را شناسایی کرده اند که از واکنش های خشکی ناشی می شود و به سازگاری گیاهان در شرایط محدود آب کمک می کند. درک مکانیسم های مولکولی و فیزیولوژیکی پشت این صفات برای بهبود محصولات زراعی از طریق بیوتکنولوژی ضروری است.

ویژگی های اصلی موثر در مقاومت گیاه به خشکی

گلدهی زودرس و فرار از خشکسالی

کنترل مولکولی زمان گلدهی پیچیده است. در طی تغییر رشد از مرحله رویشی به مرحله زایشی، سیگنال نور از محیط توسط برگها درک می شود تا پروتئین FLOWERING LOCUS T (FT) سنتز شود. FT در آوند آبکش بارگذاری شده و به مریستم انتهایی ساقه (SAM) منتقل می شود(جاییکه انتقال به مرحله گلدهی را آغاز می کند). هنگامی که آرابیدوپسیس در معرض شرایط خشکسالی قرار می گیرد، می تواند پاسخ فرار از خشکسالی را فعال کند. فرار از خشکسالی یکی از مکانیسم‌های اصلی دفاعی در برابر خشکسالی در آرابیدوپسیس است که مکانیسم های مولکولی تنظیم کننده آن به تازگی کشف شده است. مشخص شده است که برای تحریک فرار از خشکسالی، ژن کلیدی دوره نوری GIGANTEA (GI) باید توسط ABA فعال شود.

از دیدگاه زراعی، فرار از خشکسالی واریته‌های زودگل با چرخه‌های زندگی سریع‌تر جالب هستند زیرا تغییر پیش‌بینی‌شده به مرحله زایشی ممکن است امکان پر شدن دانه‌ها را قبل از شروع خشکسالی نهایی فصلی فراهم کند. علاوه بر این، فصل زراعی کوتاه‌تر نیاز به نهاده‌های کشاورزی (مانند کود، آفت‌کش‌ها) را کاهش می‌دهد و ممکن است کشت مضاعف را تسهیل کند (یعنی کشت دو محصول مختلف در یک مزرعه در یک سال). از سوی دیگر، محصولاتی که خیلی زود به گل می روند، عملکردشان کاهش می یابد. علیرغم اینکه فرار از خشکسالی یک زمینه تحقیقاتی نوظهور در علم محصولات زراعی است، هیچ محصولی از نظر بیوتکنولوژیکی بهبود یافته وجود ندارد که از این روش به عنوان یک ویژگی مقاومت به خشکی استفاده کند. با این حال، پیشنهاد شده است که فرار از خشکسالی می تواند برای به دست آوردن گونه های غلات سریع رشد و زود گل مورد استفاده قرار گیرد. علاوه بر این، اخیراً نشان داده شده است که OsFTL10، یکی از 13 ژن FLOWERING LOCUS T-LIKE (FTL) که در ژنوم برنج مشخص شده است، هم توسط تنش خشکی و هم GA القا می شود و هنگامیکه در گیاهان تراریخته برنج بیان شود باعث گلدهی زودرس و بهبود تحمل به خشکی می شود. از آنجایی که استراتژی فرار از خشکسالی شامل بافت‌های خاص (برگ، آبکش) و انواع سلول (سلول‌های همراه آبکش، سلول‌های SAM) می‌شود، ممکن است بتوان استراتژی‌هایی با هدف توسعه گیاهان مقاوم به خشکی از طریق دستکاری این اجزای گیاهی را به کار برد.

پاسخ به خشکسالی به واسطه روزنه ها

روزنه ها که منافذی روی سطوح قسمت هوایی گیاهان هستند، توسط دو سلول نگهبان تخصصی محصور شده اند که می توانند با تغییر فشار تورژسانس، منافذ را باز و بسته کنند. روزنه ها برای جذب CO2 در اندام های فتوسنتزی حیاتی هستند و به خوبی توسط یک مسیر مولکولی تنظیم می شوند که به گیاهان اجازه می دهد تا CO2 دریافت کرده و از دست دادن آب را به حداقل برسانند. دستکاری تعداد و اندازه روزنه ها یکی از اولین استراتژی های اتخاذ شده توسط دانشمندان در تلاش برای تولید گیاهان مقاوم به خشکی بود. سیگنال هورمونی اصلی که باعث بسته شدن روزنه در شرایط محدود آب می شود ABA است. در آرابیدوپسیس، بیان ژن CLAVATA3/EMBRYO-RIROUNDING REGION-RELATED 25 (CLE25) در بافت‌های عروقی ریشه در اثر تنش خشکی تنظیم مثبت می‌شود. پپتید CLE25 به برگ‌ها منتقل می‌شود، جایی که به سختی به گیرنده‌های MERISTEM (BAM) متصل شده که به نوبه خود باعث تجمع ABA در برگ‌ها و بسته شدن روزنه می‌شود. دستکاری حساسیت ABA برای افزایش پاسخ روزنه‌ای در پاسخ به خشکی می‌تواند به زنده ماندن گیاهان کمک کند. با این حال، کاهش فعالیت فتوسنتزی به دلیل جذب محدود CO2 معمولاً برای جذب کربن مضر است و بر عملکرد محصول تأثیر منفی می‌گذارد. علاوه بر این، تبخیر آب از طریق دهانه های روزنه از گرم شدن بیش از حد گیاهان جلوگیری می کند. از آنجایی که خشکسالی در یک محیط طبیعی احتمالاً با دماهای گرم همراه است، کاهش ظرفیت روزنه ممکن است یک رویکرد پایدار برای افزایش مقاومت به خشکی و در عین حال تضمین عملکرد و تولید زیست توده نباشد.

تولید موم کوتیکولار

اندام های هوایی گیاه دارای یک لایه کوتیکول خارجی هستند که موم ها جزء اصلی آن هستند. این سد آبگریز به طور فیزیکی از اپیدرم در برابر انبوهی از عوامل خارجی از جمله اشعه ماوراء بنفش، سرما، پاتوژن های قارچی و حشرات محافظت می کند و همچنین دست دادن آب را تنظیم می کند. با این حال، علیرغم این واقعیت که تعدادی از مطالعات در آرابیدوپسیس و محصولات زراعی ارتباط بین تنش خشکی و تغییرات در محتوای موم کوتیکولی، ترکیب و مورفولوژی را نشان داده اند، بسیاری از ژن های کلیدی درگیر در متابولیسم، تنظیم و انتقال موم هنوز شناسایی نشده اند. ترکیب موم کوتیکولی هم در گونه‌های آرابیدوپسیس و هم در گونه‌های زراعی مورد مطالعه قرار گرفته است. ترکیب موم نه تنها بین گونه های گیاهی، بلکه بین بافت ها یا اندام های خاص در همان گیاه نیز متفاوت است. تمام اجزای موم در شبکه آندوپلاسمی سنتز و به غشای پلاسمایی صادر و سپس از دیواره سلولی سلول‌های اپیدرمی (جایی که کوتیکول را تشکیل می‌دهند) ترشح میشوند. ترشح مولکول‌های موم از غشای پلاسمایی به ماتریکس خارج سلولی در آرابیدوپسیس به واسطه یکسری انتقال دهنده انجام می شود. پروتئین‌های انتقال لیپید موضعی غشایی (LTPs) ممکن است در انتقال موم به کوتیکول از طریق دیواره سلولی آبدوست نقش داشته باشند. در واقع، ژن های LTPG1 و LTPG2 در آرابیدوپسیس مشخص شده اند. موم های کوتیکولی را می توان پس از ترجمه یا پس از رونویسی تنظیم نمود. از نظر تنظیم پس از ترجمه، ژن CER9 که یک لیگاز E3 یوبیکوئیتین فرضی را کد می کند، نقشی در هموستاز آنزیم های بیوسنتزی موم کوتیکولی از طریق یوبی کوئیتین و تخریب پروتئین ها در شبکه آندوپلاسمی ایفا می کند. موتانت های آرابیدوپسیس cer9 افزایشی در رسوب چربی و تحمل به خشکی نشان دادند. بر این اساس، بیشتر رویکردهای بیوتکنولوژیکی که سعی در بهبود عملکرد خشکسالی با دستکاری سطوح موم کوتیکولی داشته‌اند، به جای بیان بیش از حد اجزای متعدد مسیرهای بیوسنتزی، بر فاکتورهای رونویسی (TF) تمرکز می‌کنند که فرآیند کلی را کنترل می‌کنند. در برنج، بیان بیش از حد فاکتور رونویسی OsWR1 باعث بهبود تحمل به خشکی در مرحله گیاهچه گردید. در حالیکه بیان OsWR2، رسوب موم کوتیکولی را به طور چشمگیری افزایش داد (6/48 درصد در برگها) و اجتناب از کم آبی را بهبود بخشید ولی عملکرد با کاهش 30 درصدی تعداد دانه مواجه شد. در مجموع، این نتایج پیشرفت های مربوطه را در تلاش برای به دست آوردن گیاهان مقاوم به خشکی با دستکاری بیوسنتز موم کوتیکولی نشان می دهد. هنگام تلاش برای انتقال صفات مقاومت به خشکی، تفاوت‌های مهم بین آرابیدوپسیس و گونه‌های زراعی از نظر ترکیب موم و کمیت باید در نظر گرفته شود. علاوه بر این، تولید بیش از حد موم ممکن است به دلیل مقدار بالای منابع کربنی که باید از دانه‌ها به برگ‌ها هدایت شوند و به دلیل کاهش نفوذپذیری CO2 برگ‌های پوشیده از موم، اثرات منفی روی گیاهان داشته باشد.

صفات ریشه

ریشه ها اندام اصلی گیاهی هستند که به جذب آب اختصاص یافته اند و اولین جایی هستند که کمبود آب در آن احساس می شود. به این ترتیب، مطالعات فراوانی پاسخ های ریشه به کم آبی را بررسی کرده اند. براسینوستروییدها (BR) دسته ای از هورمون های گیاهی هستند که به طور گسترده در رشد و نمو گیاه و همچنین در پاسخ به استرس نقش دارند. همراه با سایر هورمون های گیاهی، BR ها نقش کلیدی در رشد ریشه دارند. از آنجایی که سطوح BR به خوبی تنظیم می شود تا رشد مناسب ریشه را امکان پذیر کند، متابولیسم و سیگنال دهی BR اهداف مهمی برای دستکاری پاسخ های ریشه هستند. اخیراً، جهش سه گانه wrky46، wrky54، و wrky70 - تنظیم کننده های مثبت سیگنالینگ BR آرابیدوپسیس گروه نشان داده شد که به خشکی مقاوم هستند. اخیراً نشان داده شده است که بیان بیش از حد گیرنده BR اختصاصی عروقی BRI1-LIKE 3 (BRL3) میزان بقای گیاهان آرابیدوپسیس را در معرض تنش شدید خشکی افزایش می دهد. جالب توجه است، این گیاهان تراریخته کاهش رشد را نشان نمی‌دهند. پاسخ‌های خشکی مرتبط با BR در ریشه‌ها می‌تواند توسط گیرنده‌های BR در سلول‌های خاص، مانند ناحیه مریستمی ریشه و بافت‌های عروقی هدایت شود . نتایج جالبی در غلات با مهندسی پاسخ ریشه به دست آمد. در برنج، بیان TF OsNAC5 تحت کنترل پروموتر اختصاصی ریشه با افزایش قطر ریشه، مقاومت به خشکی همراه بوده است.

چالش ها و چشم اندازهای آینده

ویرایش ژنوم به منظور تولید محصولات مقاوم به خشکی

در طول ده سال گذشته، فناوری‌های ویرایش ژنوم مانند ZFNs و TALENs، دانشمندان را قادر به ایجاد تغییرات ژنتیکی هدفمند در موجودات هدف کرده‌اند. با این حال، پروتکل های ویرایش ژنوم نسبتا وقت گیر بودند. با ظهور سیستم کریسپر برای انجام جهش‌زایی هدفمند، ویرایش ژنوم برای اکثر آزمایشگاه‌های تحقیقاتی در دسترس قرار گرفت. پیاده‌سازی فناوری‌های ویرایش ژنوم مبتنی بر CRISPR در علوم گیاهی فرصت‌های فراوانی را برای دانشمندان و اصلاح‌کنندگان گیاهان به طور یکسان باز کرد. ساده ترین کاربرد CRISPR/Cas9 تولید جهش یافته هایی با از دست دادن عملکرد است. جالب توجه است که جهش‌های از دست دادن عملکرد رایج‌ترین نوع اصلاح ژنومی هستند که در طول اهلی کردن محصولات رخ داده است. پتانسیل بالای ویرایش ژنوم در علوم گیاهی باعث توسعه روش‌های تولید محصولات مقاوم به خشکی شده است.

پروموتر اختصاصی بافت برای ایجاد تحمل به خشکی

بیشتر رویکردهای اصلاحی و بیوتکنولوژیکی سنتی بر اساس جهش‌یافته‌های از دست دادن یا افزایش عملکرد است که یک ویژگی خاص را به گیاه اعطا می‌کند. به عنوان مثال، محصولات Bt که به طور اساسی سموم باکتریایی باسیلوس تورنجینسیس را بیان می کنند در سراسر جهان برای محافظت از محصولات در برابر عوامل بیماری زا استفاده می شوند. با این حال، به نظر نمی‌رسد که بهبود مقاومت در برابر تنش‌های غیرزیستی از همان الگو پیروی کند. اجتناب از کم آبی بر اساس کاهش اندازه یا تراکم روزنه ها با کاهش رشد یا عملکرد همراه است. استفاده از پروموترهای اختصاصی بافت برای هدایت بیان ژن در سلول‌های خاص در اثر تنش خشکی به عنوان یک راه حل امیدوارکننده برای شکستن بن بست بین مقاومت به خشکی و کاهش عملکرد می‌باشد. مظالعات اخیر نشان می‌دهند که وقتی از یک پروموتر اختصاصی بافت استفاده می‌شود، می‌توان از مزایای ژن‌های بیان‌شده بهره برد و در عین حال از هرگونه تغییر عمده در فنوتیپ کلی گیاه اجتناب کرد. به عنوان مثال، پروموتر اختصاصی سلول نگهبان pMYB60 که برای بیان پروتئین مصنوعی BLINK1 در روزنه ها و پروموتر اختصاصی برگ rbcS که برای بیان ژن های بیوسنتزی T6P در برگ ها استفاده می شود. از طرفی، یافته های اخیر نشان داد که بیان بیش از حد گیرنده عروقی AtBRL3 تحمل خشکی را بدون هیچ گونه شواهدی از کاهش رشد ایجاد می کند و برای تضمین اهداف امنیت غذایی جهانی در سال های آینده موثر است.

ترانسفورماسیون غلات

ترانسفورماسیون گیاه در محصولات غلات (به استثنای ذرت و برنج) بسیار چالش برانگیز است و شامل پروتکل های زمان بری است که اغلب باید توسط تکنسین های بسیار ماهر انجام شود. فرصت‌های فراوانی که در نتیجه پیشرفت سریع فناوری‌های مبتنی بر CRISPR در حال ایجاد است، موج جدیدی از توسعه فناوری انتقال ژن را هدایت می‌کند. دانشمندان دانشگاه کالیفرنیا (ایالات متحده آمریکا)، رویکرد جالبی را برای ترانسفورماسیون گیاه ایجاد کردند که از هر دو سیستم مبتنی بر آگروباکتریوم و تفنگ ژنی متمایز است. در این رویکرد جدید، یک سیستم انتقال DNA از نانولوله‌های کربنی استفاده می‌کند. اگرچه ترانسفورماسیون تنها به صورت موقت در برگها یا پروتوپلاستهای گیاهان مورد نظر حاصل شد، این روش دارای مزیت مستقل بودن انتقال ژن از گونه گیاهی است. همچنین، ثابت شده است که بیان موقت Cas9 و gRNA در سلول‌های هدف برای تولید ویرایش‌های دایمی و ارثی ژن کافی است. مزیت این روش این است که نسل اول جهش یافته ها پس از ترانسفورماسیون می توانند تغییرات مورد نظر را انجام دهند. این باعث جذابیت کریسپر می شود، به ویژه برای استفاده در محصولاتی که تراریخته نمودن آن ها دشوار یا غیرممکن است.

منبع: دامینو مارتیگناگو، University of Milan