Table of Contents
إن ارتفاع درجات الحرارة العالمية، وتغيير أنماط التهطال، وزيادة الأحداث الجوية القصوى، تفرض ضغوطاً غير مسبوقة على النظم الزراعية في جميع أنحاء العالم، فبالنسبة للمحاصيل الأساسية مثل الأرز والقمح والذرة، تترجم هذه الظروف إلى غلات مخفضة، وإلى نوعية تغذوية أقل، وإلى درجة أكبر من إمكانية التعرض للآفات والأمراض، ومن أجل التصدي لهذه التهديدات، ينتقل الباحثون إلى الهندسة الوراثية كطلقة فضية، ولكن كمجموعة أدوات قوية تكيفية
The Multidimensional Impact of Climate Change on Crop Plants
ولا يؤدي تغير المناخ إلى إجهاد واحد؛ بل إنه يخلق مصفوفة معقدة للضغط البيئي التفاعلي، ففهم هذه الضغوط الفردية والجماعية أمر أساسي لتصميم تدخلات وراثية فعالة.
الجفاف وسح الماء
وقد أصبحت تعاويذ الجفاف الموسعة وتناقص احتياطيات المياه الجوفية أكثر شيوعا في كثير من المناطق الزراعية، وعندما تعاني النباتات من عجز في المياه، فإنها تغلق قاعاتها لتقليل التفريغ، مما يحد بدوره من امتصاص ثاني أكسيد الكربون ويبطئ التلقاح الضوئي، ويؤدي الجفاف المطول إلى الانهيار، وانخفاض مساحة أوراق الأوراق، وفي نهاية المطاف إلى الفشل في الإنجاب، وعلى سبيل المثال، يمكن أن تهبط غلات الذرة في أفريقيا جنوب الصحراء الكبرى بنسبة تتراوح بين 20 و30 في المائة و 20 و30 في المائة في إطار سيناريو متوسط التسخين.
شغب وواشف حرارة
وتعطل درجات الحرارة العالية العمليات الخلوية، ولا سيما أثناء ضخ الزهور والحبوب، ويتسبب ضغط الحرارة في اضطرابات البروتين، وضرر الأدمغة، وإنتاج أنواع الأكسجين الرجعية التي تضر بالحمض النووي والأعضاء، وفي القمح، يمكن لكل درجة من درجات الحرارة التي تزيد عن درجة الحرارة القصوى أن تقلل من غلة الحبوب بنسبة تتراوح بين 6 و10 في المائة، ويلحق الاحترار الليلي ضررا خاصا لأنه يزيد من معدلات الارتعاش، ويستنفد.
الملح وتدهور التربة
وتميل مستويات سطح البحر المرتفعة والممارسات السيئة للري إلى التلويح مرة واحدة في التربة، ويفرض ضغط الملح سمية أوسمية أويونية على السواء: إذ يجعل من الصعب على الجذور استخراج المياه ويتيح تراكم الصوديوم وكلوريد في الأوراق، حيث يعرقل النشاط الانزيمي ويعجل بتكاثر الورق، ويتأثر الآن نحو 20 في المائة من الأراضي المروية في جميع أنحاء العالم، بأرقام الملح.
الفيضانات والهيبوكسيا
وتزداد تواتر أحداث هطول الأمطار المرتفعة والفيضانات الفيضية في كثير من أجزاء آسيا وأمريكا الجنوبية، وأصبحت التربة المفلورة مُخدرة للأكسجين، مما أجبر جذورها على الاستقلاب الهوائي الذي يستنفد بسرعة احتياطيات الطاقة وينتج منتجات ثانوية سامة مثل الإيثانول والسيتلديهايد، كما أن الأرز أكثر تسامحا من معظم المحاصيل، ولكنه يعاني من خسائر أكبر من تلك المحاصيل.
إعادة توزيع الآفات والأمراض
وتتيح درجات الحرارة المفاجئة للحشرات والمسببات الممرضة للفطريات توسيع نطاقاتها لتشمل مناطق التبريد السابقة، بينما تتيح شتاءات اللحوم أجيال أخرى في الموسم، وعلى سبيل المثال، فإن دودة الجيش الفاشلة - وهي حشرة مدمرة من الذرة تنتشر في جميع أنحاء أفريقيا وآسيا وأستراليا في العقد الماضي، ويمكن للهندسة الوراثية أن تساعد النباتات على مقاومة هذه التهديدات من خلال التعبير المستهدف عن بروتينات المبيدات الحشرية أو عن طريق ممر المعزز.
تقنيات الهندسة الوراثية في المقدمة
وتوفر التكنولوجيا الحيوية الحديثة مجموعة من الأدوات لإضفاء سمات على القدرة على التكيف مع المناخ، وفي حين أن التوالد التقليدي لا يزال حيويا، فإن الهندسة الوراثية تتيح إدخال جينات من الأنواع غير المتصلة بها، وتحرير جينات السكان الأصليين بدقة، بل وتصميم دوائر جينية اصطناعية تماما.
CRISPR-Cas9 and next-Generation Gene Editing
وقد أدى " CRISPR-Cas9 " إلى ثورة هندسة الجينوم النباتي بتمكينها من إدخال تعديلات هادفة على تسلسلات معينة من الحمض النووي بسهولة ودقة غير مسبوقة، ويمكن للباحثين أن يضربوا جينات تجعل النباتات عرضة للإجهاد، أو أن يُدخلوا جميع النفع من الأقارب البرية أو الأنواع الأخرى دون جر ربط الذي يرافق في كثير من الأحيان التراجع التقليدي.
For instance, scientists at the University of California, Berkeley used CRISPR to modify the OsAPK2] gene in rice, improving drought tolerance by altering the plant’s abscisic acid signaling path. Similarly, a team in Japan edited ri[Frain:2]]HvCKX1 increase[FL
النهج المترجم: تسخير جينات من ذوي الأصول المتردية
وتحتوي النباتات المتحولة على جينات أو أكثر من نوع آخر - استراتيجية تستخدم تجارياً في سمات مثل التسامح في مبيدات الأعشاب والمقاومة الحشرية، وبالنسبة للتكيف مع المناخ، يقوم العلماء باستكشاف الجينات من النباتات المهددة بالانقراض، والبكتيريا، وحتى الحيوانات.
- Drought tolerance:] The AtDREB1A] gene from the model plant Arabidopsis thaliana, when overexpressed in wheat and soybean,streams stresse
- Salt tolerance:] A gene encoding a vacuolar sodium/hydrogen antiporter (]AtNHX1) from Arabidopsis has been introduced into rice and maize,
- Heat tolerance:] Heat shock proteins (e.g., HSP70, HSP101) from thermophilic bacteria and fungi have been expressed in crops such as wheat and potato, improving thermotolerance and protecting photosynthetic machine.
علم الأحياء الاصطناعية وتصميم الدوائر الوراثية
وخط الحدود بين الهندسة الوراثية النباتية هو البيولوجيا التركيبية - تصميم النفوذ للدوائر الوراثية التي يمكن أن تُحس بالسموم البيئية وتستجيب بطرق مبرمجة، فعلى سبيل المثال، وضع الباحثون في معهد سالك دائرة " إنقاذ المياه " تبقي الذرة مفتوحة جزئيا أثناء الجفاف المميت، وموازنة فقدان المياه مع مكاسب الكربون، وينطوي نهج اصطناعي آخر على إعادة ترتيب مسارات حرارة النباتات
RNA Interference for Silencing Susceptibility Genes
ويتيح التدخل في مجال التلقيح النووي (RNAi) التسلسل المفصل للجينات المحلية، حيث يمكن للعلماء، باستهدافهم الجينات التي تجعل النباتات عرضة للمسببات المرضية أو الإجهاد الحيوي، أن يولدوا نماذج مقاومة من النوع الذي لا يغير من تسلسلات التكتل النباتية، وعلى سبيل المثال، فإن التركيز المتوسط لـ [FrainLT:0] هو مقياس للجفاف()
Real — World Examples of Climate — Adapted Genetically Engineered Crops
وقد وصلت بالفعل عدة محاصيل مصممة جينيا ذات سمات متصلة بالمناخ إلى حقول المزارعين أو هي في مراحل متقدمة من الاستعراض التنظيمي، وهناك محاصيل أخرى تمثل خطوطا واعدة للتصورات تبين إمكانات هذه التكنولوجيات.
الذرة المتسامحة للجفاف (MON87460)
وتُظهر هذه المادة التي وضعت من قبل بايير (مونسانتو سابقاً) من المادة 480 من قانون الإعسار النموذجي (FLT:0) (CspB() من أصل البكتريوم () الذي يُعرض حالياً على مادة مقاومتها في إطار المادة 487 من المادة (GLT) والتي تساعد على الحفاظ على ظروف طبيعية أعلى من إنتاج البروتين والإجهاد في إطار الماء.
مصاريف المصارعة
Rice is the world’s most important staple food, but it is highly sensitive to salinity. Chinese researchers engineered a salttolerant rice line by overexpressing the OsDREB2A, which regulates stressresponsive transcription factors. In field tests on saline soils in Jiangsu line
القمح المقاوم
(ب) ويتأثر القمح بشكل خاص بالإجهاد الحراري أثناء مرحلة الإنجاب، وقد أدخل فريق في مركز جون إنز في المملكة المتحدة جين TaHSP101 من قنطة حرارية متحملة مباشرة مقارنة بقمح الخبز التجاري، وأظهرت خطوط الأشعة زيادة بنسبة 15 إلى 20 في المائة في غلة الحبوب عندما تعرضت لضغط حراري معدل بـ 6 درجات مئوية.
رز مُتسامح (البرنامج الفرعي 1)
وعلى الرغم من أن الرز الفرعي قد تطور من خلال الاختيار التقليدي الذي يُساعد فيه المؤشر، فإن نجاحه قد استوحى من جهود الهندسة الوراثية لزيادة تحسين التسامح في الفيضانات، وقد تم إدخال جينات الصنف الفرعي 1، وهو عامل يوقف النمو ويحافظ على الطاقة أثناء الغواصة الكاملة، إلى أنواع أخرى من الأرز عن طريق التحول، كما أن البحوث الجارية تستكشف إضافة جينات بكتيرية تتيح بقاء المواد السمية من النباتات الأيروبية.
تعزيز التليفزيون الفوتوسي وكفاءة استخدام المياه
وتستهدف بعض أفرقة البحث العملية الأساسية لتجميع الصور ذات الصلة، مثلاً إدخال نسخة أكثر كفاءة من روبيسكو (أنزيم الكربون - التثبيت) من الطحالب الحمراء إلى التبغ، وزيادة تراكم الكتلة الأحيائية بنسبة 15 إلى 20 في المائة، بينما تقوم مجموعات أخرى بهندسة مسار التفافي الضوئي (دورة C2) للحد من نفايات الطاقة، مما يمكن أن يحسن إنتاجها في ظل ظروف عالية التأمل.
مواجهة التحديات: السلامة، التنظيم، التصور العام
وعلى الرغم من الوعد التقني لهذه النُهج الهندسية الوراثية، فإن عدة عقبات تقف بين هيئة المختبرات والتبني الواسع النطاق، وهذه التحديات ليست مجرد تحديات علمية - بل تشمل نظماً تنظيمية، وتقييماً للمخاطر الإيكولوجية، وقبولاً اجتماعياً.
المخاطر الإيكولوجية وتدفقات جين
ومن الشواغل الرئيسية انتشار السمات الهندسية غير المقصودة إلى الأقارب البريين أو الحشيش، وإذا كان جين من الجانحين ينتقل إلى أنواع عشب برية، فإنه يمكن أن يخلق عشبة أكثر قدرة على المنافسة تعطل النظم الإيكولوجية الطبيعية، فإستراتيجيات المصادرة - مثل التحول من كلور البوليس (الذي يرثه الأمهات ويندر نقله عن طريق التلوث) وتكنولوجيات تقييد الاستخدام الوراثي (المسمى بذور " المصممة " ) -( ).
الأطر التنظيمية وعمليات الموافقة
وتختلف الأنظمة اختلافاً كبيراً بين البلدان، ففي الولايات المتحدة، تتقاسم وكالة تشجيع الاستثمار ووزارة تشجيع الاستثمار ووزارة التنمية الاقتصادية الرقابة حسب أسلوب التحول والتحول، وتضع قاعدة عام 2020 (المحافظين على الزراعة الإيكولوجية والمتماسكة والزي الرسمي والمسؤولة والكفؤة) التي تُفضي إلى تبسيط عملية إزالة الضوابط التنظيمية للمصانع التي تم تعديلها من خلال تحرير الجينات التي كان يمكن تحقيقها من خلال التوالد التقليدي(18).
الملكية الفكرية والحصول على البذور
وتبرأ شركات كبرى متعددة الجنسيات العديد من سمات القدرة على التكيف مع المناخ، مما يثير القلق إزاء احتكار البذور والقدرة على تحمل تكاليف تحسين أنواع المزارعين من صغار المزارعين في البلدان النامية، ومبادرات التكنولوجيا الحيوية المفتوحة المصدر - مثل مشروع " أوفبولانت " ، والإبداع البيولوجي للمجتمع المفتوح - تهدف إلى التصدي لذلك عن طريق إتاحة الأدوات والأجزاء الوراثية بحرية.
قبول الجمهور ووضع العلامات عليه
ولا تزال هيمنة المستهلكين تشكل عائقاً كبيراً، إذ تعتبر المنظمات العالمية للأرصاد الجوية في أجزاء كثيرة من العالم غير طبيعية أو خطرة، حتى عندما لا تظهر اختبارات السلامة الصارمة آثاراً صحية أو بيئية غير عادية، فالاتصالات الشفافة، والعلامات الواضحة (مثل " المحررة من قبل " ضد " التحول " )، والمشاركة مع أصحاب المصلحة - بمن فيهم المزارعون، والمتخلفون، ومجموعات المستهلكين التي تتقبلون لمبيدات الآفات.
حزم المسارات والتفاعلات غير المقصودة
ونظراً لأن صفات المرونة المناخية المتعددة تُركَّز في مجموعة واحدة من التنوع (مثل الجفاف + الحرارة + مقاومة الآفات)، يجب على الباحثين اختبار التفاعلات غير المقصودة، وقد يؤدي وجود جين يحسن التسامح مع الملح إلى إضعاف قدرة النبات على مقاومة مسبب للمرضى الفطريين، وتساعد النهج الإيكولوجية للنظم والتفاؤل الكبير في تحديد هذه المبادلات في مرحلة مبكرة من التنمية.
الآفاق المستقبلية: إدماج التكنولوجيا الأحيائية في عمليات الرضاعة التقليدية
ولن تحل أي تكنولوجيا بمفردها تحدي التكيف مع المناخ، فالطريق الأكثر فعالية إلى الأمام يجمع بين الهندسة الوراثية وبين التقدم المحرز في التنشئة النباتية، والتوالد المدفوع من أجل الشيخوخة، والزراعة الرقمية.
Speed Breeding and Gene Editing Synergy
فدورات توليد النباتات السريعة التوليد عن طريق التحكم في طول النهار ودرجات الحرارة في غرف النمو - المولدات المتوهجة لإنتاج أجيال متعددة في السنة، وعندما يقترن ذلك باستهداف المركز لجينات معينة ذات صلة بالمناخ، يمكن للمربيات أن يطوروا خطوطا محسنة في فترة تتراوح بين سنتين و3 سنوات بدلا من 10-12 مطلوبة عادة للتوالد التقليدي، ويستخدم هذا التآزر بالفعل في استخدام أنواع التها الحرارية في أنواعها في الحيتان.
Landscape —Scale Climate Modeling for Trait Targeting
ويمكن أن تسترشد التوقعات المناخية المستقبلية بالأماكن التي تمس الحاجة إليها، والتي يتوقع أن تشهد منطقة أكثر تواتراً من الموجات الحرارية، ولكن ليس الجفاف، فإنها تستفيد أكثر من جينات التسامح الحراري، في حين أن منطقة تواجه ملوحة وفيضانات مجتمعة ستحتاج إلى كومة من الصفين معاً، ويتزايد استخدام البريدس لبيانات المناخ المكاني لتحديد أولويات التركيبات المميزة وتنمية الجرامبلوم.
جين درايفز لـ "بينيفال ألويل سبيد"
إن الحركات الجينية هي تكنولوجيا مثيرة للجدل ولكنها قوية تنحو إلى التحيز في الميراث بحيث يتم نقل جين معين إلى جميع المناشف تقريباً، وبينما تناقش هذه الحركات أساساً لمكافحة الأمراض (مثل البعوض المتعلق بالملاريا)، بدأ الباحثون في استكشاف إمكانياتهم لنشر جينات مفيدة للتبديد المناخي من خلال مجموعات السكان البرية من المحاصيل أو أقاربهم، على سبيل المثال، مما يجعل من الجيل البري للأرز أكثر ميلاً إلى الحفاظ على التنوع الجيني في النظم الإيكولوجية المهية المهددة.
علم المواطنين والتشارك في الرضاعة
ويضمن إشراك المزارعين في اختيار واختبار أنواع الكائنات الحية في المناطق المناخية أن تكون السمات التي يتم تطويرها ذات صلة بالظروف المحلية والأفضليات الثقافية، وفي أفريقيا جنوب الصحراء الكبرى، تعمل برامج مثل برنامج الرضاعة المتكامل وعلامة التسامح إزاء الجفاف في أفريقيا مع صغار الملاك لتقييم الخطوط الجديدة وتقديم التغذية المرتدة إلى المربيات، وينبغي ألا ينظر إلى الهندسة الوراثية على أنها حل من القمة إلى أسفل، بل كأداة لإدماج شبكات المزارعين القائمة على المشاركة.
خاتمة
إن الهندسة الوراثية توفر مجموعة متزايدة التطور من الأساليب لمساعدة النباتات على التكيف مع ضغوط تغير المناخ، ومن تحرير الجينات بدقة مع برنامج البحوث البيئية الشاملة إلى دوائر علم الأحياء الصناعية التي تُحس وتستجيب للمراعي البيئية، فإن الباحثين يحرزون تقدماً سريعاً في إيجاد محاصيل قادرة على مواجهة الجفاف والحرارة والملوحة والفيضانات، وتظهر أمثلة العالم الحقيقي مثل الذرة المسببة للجفاف والأرز المسبب للمرضات.