التكنولوجيات الناشئة في البذور للاحتمالات العالية

مقدمة

ومن المتوقع أن يصل عدد سكان العالم إلى ما يقرب من ١٠ بلايين نسمة بحلول عام ٢٠٥٠، مما يتطلب زيادة إنتاج الأغذية بنسبة ٦٠ إلى ٧٠ في المائة، وفي الوقت نفسه، يستمر الفرد في تقلص الأراضي الصالحة للزراعة، ويدخل تغير المناخ ضغوطا حيوية وبيولوجية جديدة، وينتج البذور والفنون والعلوم التي تؤدي إلى خلق أنواع أفضل من النباتات في مركز هذا التحدي، وتتحول الأساليب التقليدية للزراعة التي تحافظ على الضغط على البشرية.

وهذه الابتكارات التي تشمل علم الشيخوخة وتحرير الجينات والثدييات والبيولوجيا الاصطناعية معاً لضغط دورات التوالد من عقد إلى بضع سنوات مع زيادة دقة الاختيار في نفس الوقت، وتستكشف هذه المادة التكنولوجيات الناشئة الرئيسية التي تعيد تشكيل البذور لتوليد إمكانات أعلى من العائد، وتقدم تفسيرات مفصلة لكيفية عمل كل تكنولوجيا، وما حققته حتى الآن، وما تبقى من تحديات قبل تحقيقها بالكامل.

الحاجة العاجلة إلى قدرة عالية لليغل

وتشير الإمكانات الوليدة إلى أقصى الحبوب أو الكتلة الإحيائية التي يمكن أن ينتجها المحصول في ظروف مثلى، ففي القرن العشرين، زادت الثورة الخضراء بشكل كبير سقفاً من غلة المحاصيل من خلال جينات شبه قزم، وتحسين الأسمدة، والري، ولكن المكاسب في الحبوب الرئيسية قد تباطأت، في الوقت نفسه، ظاهرة " الهبوط الضار " ، وفي الوقت نفسه، فإن الأحداث الجوية البالغة الأهمية المرتبطة بتغير المناخ تقل عن العائدات الفعلية التي يمكن أن تنمو منها.

وتوفر التكنولوجيات الناشئة ثلاثة قفزات متميزة لزيادة إمكانات المحاصيل: (1) التعجيل بمعدل المكسب الوراثي لكل دورة توالد، (2) تحديد وحزم جينات متعددة معززة للمحاصيل إلى مجموعة واحدة من التنوع، (3) السمات الهندسية الجديدة تماما التي كان من المستحيل تحقيقها من قبل عن طريق الوسائل التقليدية.

اختيار المعالم وفحصها

كيف يُختار (جينوميك)

ويمثل اختيار العينات تحولاً في النموذج من الاختيار القائم على نوع الجنس إلى التنبؤ بالتنبؤات التي تُعطى في إطار نظام الجيل الأول، حيث لا يحتاج المربيون أولاً إلى " تدريب السكان " من عدة مئات إلى عدة آلاف من النباتات التي هي من النوع الذي يُتوقع وجوده (استخدام صفائف من النواة القومية أو التسلسل الجيني) ونموذج من نوع ما لم تُعدّ صفات التكاثر المستهدفة مثل الزهرة، والزغ.

وهذا الأسلوب يقلل بدرجة كبيرة من دورة الاختيار، إذ أن اختيار النظام التقليدي للمحاصيل ذاتية الصنع مثل القمح يتطلب من ستة إلى ثمانية أجيال تحقيق التأنيث؛ ويمكن أن يقلل النظام العام من ذلك إلى جيلين إلى ثلاثة، وقد استخدم المركز الدولي لتحسين الذرة واللحوم (CIMMYT) جهازاً عالمياً لزيادة المكاسب الوراثية في غلة الحبوب في الذرة المدارية بأكثر من 3 في المائة في السنة.

علامة - مصممة للخلف

While GS predicts overall performance, marker-assisted backcrossing (MABC) is used to introgress specific genes into elite backgrounds. For example, the Sub1

ومن القيود التي تحد من الاختيار بمساعدة العلامات أنه يعمل على أفضل وجه في الصفات التي يسيطر عليها عدد صغير من الجينات الرئيسية، وبالنسبة لخصائص البوليجينيات العالية مثل الغلة، فإن فئة الخدمات العامة أكثر ملاءمة، إذ أن المبردات تجمع بين النهجين معا: استخدام فئة الخدمات العامة للتحسين العام وشركة ماس للكيماويات لنشر الجينات المستهدفة.

Speed Breeding Integration

ويولد اختيار الجيني كامل طاقتها عندما يقترن ببروتوكولات بيئة سريعة يسيطر عليها التوالد تتلاعب باللوحة ودرجات الحرارة للتعجيل بتنمية النباتات، فعلى سبيل المثال، يمكن لنظام " التوالد السريع " الذي وضع في جامعة كوينزلاند أن ينتج ما يصل إلى ستة أجيال من القمح في السنة بدلا من واحد أو اثنين، وبإدماج نظام الخدمات العامة مع سرعة التوليد، يمكن للمربيات أن تكمل دورة اختيار كاملة في أقل من 12 شهرا.

External reference: CIMMYT report on genomic selection in maize]

CRISPR-Cas9 and Gene Editing

الدقة وسرعة الأزمة

وقد كان هذا النظام أداة تحرير جينات مستمدة من نظام محصن للبكتيريا، وهو يستخدم دليلاً للناموسيات الجاهزة في منطقة الكاس9 من أجل خفض الحمض النووي في موقع محدد، وقد سمحت آليات الإصلاح الطبيعية في الخلية بإدخال محاصيل صغيرة أو حذف أو استبدالات بإدخال نموذج جديد للحمض النووي، خلافاً للعوامل غير المادية التي تُحدث في كثير من الأحيان محاصيل أجنبية.

For yield improvement, CRISPR has been used to modify genes that control plant structure, grain size, and stress tolerance. One landmark example is the editing of GS3, ]GW2, and [FrainLT:4]GW5[FLT,5

تعزيز الكفاءة الفوتوسينية

ومن شأن تطبيق نظام " كورس " الطموح بشكل خاص أن يحسن الكفاءة الاصطناعية للصور، وأن يكون الانزيم " غير فعال بشكل ملحوظ، وأن الجهود الرامية إلى استبداله بمتغيرات أسرع من الطحالب أو البكتيريا قد اقتصرت على تعقيد مجين كلوروبلاست، كما أن " CRISPR " يمكن من التحرير الدقيق للجيل النووي الذي ينظم تجمعات الكربونية وصورها.

التحديات التنظيمية والعامة

وعلى الرغم من إمكانياتها، فإن المحاصيل التي حررها المعهد الوطني لبحوث المناخ تواجه تنظيما عالميا غير متكافئ، وقد حكمت محكمة العدل الأوروبية في عام 2018 بأن الكائنات التي يحررها الجينوم تخضع لنفس القواعد الصارمة للمنظمة العالمية للأرصاد الجوية، مثل المتحولين جنسيا، مما يعرقل الاختبار الميداني في أوروبا، وعلى النقيض من ذلك، ذكرت وزارة الزراعة في الولايات المتحدة أنها لن تنظم المحاصيل المحررة التي كان يمكن أن تنتج عن طريق القبول التجاري التقليدي، مما يفتح الباب أمام الاختلاوات.

External reference: Nature article on CRISPR-improved photorespiration in rice]

تقنيات الطباعة والتصنيع

منابر التصوير الفموي العالية الترغوب

فاختيار العينات وتحرير الجينات يخلقان آلافاً من خطوط المرشحين، ولكن فقط من لديهم مسألة أداء ميداني متفوق، وعادة ما تكون الأشعة الفينوية - ضمان ارتفاع النباتات، والعد، وتنتج عن طريق اليد العاملة كثيفة، وبطيئة، وقابلة للخطأ، وتظهر هذه الصور ذات النبضات الآلية باستخدام أجهزة الاستشعار التي تُحمل على أجهزة التقاط السحابية، أو أجهزة التصوير المحتوي على الآفات الثابتة.

فعلى سبيل المثال، يمكن للطائرة بدون طيار المجهزة بكاميرا متعددة الأطياف أن تطير فوق حضانة نسل القمح وتلتقط بيانات مؤشر النبات الطبيعي لآلاف القطع في دقائق، وترتبط الدائرة الوطنية للتوحيد القياسي ارتباطاً وثيقاً بالكتلة الأحيائية وإمكانيات الغلة، وبجمع بيانات السلاسل الزمنية للمسح الكيميائي مع التعلم الآلاتي، يمكن للمربيات أن يتوقّعوا الحصيلة النهائية بأوامل عالية الدقة قبل الحصاد، مما يتيح اتخاذ قرارات الاختيار السابقة.

روت فينوبينغ و مراكب خفية

فالإمكانات التي يمكن أن تتأثر ليس فقط بالسموم السطحية ولكن أيضاً بالهيكل الجذري الذي يحدد المياه والمغذيات، إذ يتطلب التنظيف الجذري التقليدي التصاعدي المدمر، ويستحيل الوصول إليه على نطاق واسع، كما أن تكنولوجيات التصوير الجديدة، بما في ذلك استخدام الرادار المزود بالشبكة الأرضية، ورسم الخرائط المقاومة للكهرباء، توفر وسائل غير متفتحة لتقييم العمق الجذري والأنماط الفرعية للض.

تعليم الآلات من أجل الحصول على العلاج

ولا جدوى من بيانات الصور المتحركة دون تحليل قوي، إذ يمكن لنماذج التعلم العميق، ولا سيما الشبكات العصبية التي تولدها الثورة، أن تحسب تلقائياً الحبوب لكل ذعر، وتقيس حجم الكينول، وتسجل مدى انتشار الأمراض من الصور، وقد حققت شبكة من الناموسيات المتدربة على صور مسامير القمح، درجة من الدقة في عد المسامير، مما أتاح التحديد السريع لآلاف خطوط التوالد الحقيقية.

علم الأحياء والبيولوجيا الاصطناعية

التحديث الوراثي للمطارات الصلعية

While CRISPR generates small edits, traditional genetic modification (GM) allows the introduction of entirely new genes or synthetic pathways that do not exist in the crop’s gene pool. One of the most successful yield-enhancing GM traits is the introduction of Bt genes from

علم الأحياء الاصطناعية: هندسة مسارات جديدة

ويمضي علم الأحياء الاصطناعية خطوة أبعد من ذلك بتصميم وبناء دوائر بيولوجية جديدة، إذ يقوم الباحثون بهندسة النسيج النيتروجيني إلى محاصيل غير عادية مثل الأرز والذرة، وإذا نجح ذلك، فإن المحاصيل الحبوبية يمكن أن تصلح نتروجينها من الغلاف الجوي، مما يقلل من الحاجة إلى الأسمدة الاصطناعية ويحتمل أن يزيد من العائد عن طريق إزالة القيود على النيتروجين.

Microbiome Engineering

A plant’s yield potential is also influenced by its associated microbial community. Seed treatments with useful bacteria and fungi (bioinoculants) can enhance nutrient uptake and stress tolerance. Advanced approaches involve engineering the seed microbiome itself-selecting or modifying microbes that colonize the rhizosphere and phyllosphere to promote plant growth. For example, strainst

Climate-Resilient Seed Breeding

ولا معنى للمحاصيل إذا لم تستطع المحاصيل تحمل الضغوط البيئية للمناخ المتغير، فطبقت التكنولوجيات الناشئة على وجه التحديد لتحسين التسامح الحراري، ومقاومة الجفاف، والتكيف مع الفيضانات، وقد حدد اختيار الجيني للتسامح الحراري في النسيج نماذج لسعة الزراعة المجهزة بالعلامات التي تحتفظ بمحاصيل الحبوب تحت درجات الحرارة تتجاوز 40 درجة مئوية.

وقد تقدمت عملية توالد التسامح إزاء الجفاف من خلال نشر جينات الفول الصويا التي تولد 20 في المائة أكثر من الضوابط في ظل الجفاف المتوسط، وتجميع هذه السمات التي تنطوي على تحمل الإجهاد مع خلفيات وراثية عالية من خلال التخلف المدعم بالعلامات، هي أولوية حاليا للعديد من برامج التوالد العامة والخاصة.

التوقعات المستقبلية

إن تقارب الانتقاء الجينومي، وتحرير الجينات، والثدييات، والبيولوجيا الاصطناعية، يخلق تسارعا غير مسبوق في المكسب الجيني، ويمكن أن نتوقع في العقد القادم أن نرى بنية محصولية جديدة تماما، مثل " النماذج الايديولوجية " المصممة للجمع الآلي وزراعة الكثافة العالية.

بيد أن تحقيق هذه الإمكانات يتطلب التعاون بين مختلف التخصصات والقطاعات، إذ أن الاستثمار العام في البنية الأساسية للمجين، وقواعد البيانات المفتوحة المصدر للعلامات والنماذج، والاختبارات الزراعية القائمة على المشاركة، يجب أن تتطور الأطر التنظيمية لتفريق تحرير الجينوم من النظم العالمية لعلوم الأرض، مما يتيح الابتكارات الآمنة للوصول إلى المزارعين دون تأخير لا داعي له، كما أن من المهم أيضا بناء الثقة العامة من خلال الاتصالات الشفافة بشأن السلامة والتكنولوجيات الجديدة.

ويجب أن تسترشد الاعتبارات الأخلاقية بالنشر: ضمان ألا تُحقق المكاسب الناتجة على حساب نوعية التغذية، وأن يحصل صغار المزارعين على أنواع محسنة، وأن البذور لا تقيد التبادل الحر للجرائم، ومع توخي الحذر في الإشراف، يمكن للتكنولوجيات الناشئة الموصوفة هنا أن تساعد على تلبية الطلب الغذائي المتزايد في العالم مع الحد من الآثار البيئية للزراعة - وهو هدف ليس مرغوبا فيه فحسب بل ضرورياً لمستقبل مستدام.

الموارد الخارجية: تقرير منظمة الأغذية والزراعة عن تكنولوجيات البذور الناشئة ]