طور العلماء تقنية تحرير جينوم البلاستيدات الخضراء التي تعمل على تحسين عملية التمثيل الضوئي ونمو النبات بشكل كبير عن طريق إدخال تغييرات دقيقة على إنزيم روبيسكو، وهو بروتين رئيسي ولكنه غير فعال نسبيًا يشارك في تثبيت الكربون النباتي. البحث الذي نشر فياتصالات الطبيعة، أثبتت أن التعديلات المستهدفة أدت إلى زيادة أداء التمثيل الضوئي، وإنتاج الكتلة الحيوية، وكفاءة استخدام المياه-في المصنع النموذجيأرابيدوبسيس ثاليانا. تسلط الضوء على هذه النتائجمسار محتمل لتطوير محاصيل أكثر إنتاجية في ظل الظروف المناخية المستقبلية.
من خلال استخدام تقنية تحرير قاعدة البلاستيدات الخضراء-، قدم الباحثون بدائل حمض أميني مفردة إلى الوحدة الفرعية الكبيرة لروبيسكو دون دمج الحمض النووي الأجنبي في جينوم النبات. عززت طفرتان محددتان، M309I وD397N، النشاط التحفيزي للإنزيم، مما سمح للنباتات باستيعاب المزيد من الكربون في ظل تركيزات ثاني أكسيد الكربون المرتفعة الحالية والمتوقعة في الغلاف الجوي. أظهرت النباتات المحررة زيادة في حجم البراعم والجذر، ومساحة أوراق موسعة، وإنتاجية أعلى من البذور مع الحفاظ على محتوى الروبيسكو والكلوروفيل الطبيعي.
تعالج هذه النتائج تحديًا طويل الأمد في التكنولوجيا الحيوية النباتية. على الرغم من أن الروبيسكو عنصر أساسي في عملية التمثيل الضوئي، إلا أن معدله التحفيزي البطيء نسبيًا قد حد من إنتاجية المحاصيل لعقود من الزمن. غالبًا ما أدت المحاولات السابقة لإعادة تصميم الإنزيم أو استبداله إلى تعطيل تجميعه أو تقليل نمو النبات. في المقابل، توضح هذه الدراسة أن التعديلات الصغيرة المستهدفة لجين روبيسكو الموجود يمكن أن تعزز أدائه مع الحفاظ على التطور الطبيعي للنبات.
لاحظ الباحثون أيضًا أن النباتات المعدلة حققت كفاءة أعلى في استخدام الماء الجوهري-، مع زيادة عملية التمثيل الضوئي دون الحاجة إلى فتح الثغور بشكل أكبر. كشف الفحص المجهري الإلكتروني - أن الطفرات غيرت مرونة المناطق المحيطة بموقع روبيسكو النشط، مما يوفر رؤى جديدة حول كيف يمكن للتغيرات الهيكلية الدقيقة أن تحسن وظيفة الإنزيم.
ويشير مؤلفو الدراسة إلى أن مواقع الأحماض الأمينية المستهدفة يتم الحفاظ عليها بشكل كبير عبر العديد من المحاصيل الزراعية، مما يشير إلى أن هذا النهج يمكن أن يكون قابلاً للتطبيق على نطاق واسع بما يتجاوزالأرابيدوبسيس. مع استمرار ارتفاع تركيزات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي، فإن متغيرات روبيسكو ذات المعدلات التحفيزية الأسرع قد تمكن المحاصيل من الحفاظ على الإنتاجية مع استخدام المياه بشكل أكثر كفاءة في ظل ظروف النمو المتزايدة الصعوبة.
نظرًا لأن عملية تحرير البلاستيدات الخضراء لا تترك حمضًا نوويًا أجنبيًا في النباتات النهائية بعد التكاثر، يقترح الباحثون أن هذه التقنية يمكن أن تتحايل على بعض الحواجز التنظيمية المرتبطة بالمحاصيل التقليدية المعدلة وراثيًا في البلدان التي تعترف بالنباتات-المعدلة وراثيًا والخالية من الجينات-في إطار أطر الكائنات غير المعدلة وراثيًا- الناشئة.
