การผลิตอาหารทั่วโลกกำลังถูกคุกคามจากผลกระทบของการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศมากขึ้นเรื่อยๆ เมื่อน้ำท่วม ภัยแล้ง และคลื่นความร้อนสูงกลายเป็นเรื่องปกติมากขึ้น พืชผลจำเป็นต้องปรับตัวได้เร็วกว่าที่เคย
นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ดกำลังหาวิธีจัดการกับกระบวนการทางชีววิทยาในพืช เพื่อช่วยให้พืชเจริญเติบโตได้อย่างมีประสิทธิภาพและประสิทธิผลในสภาวะที่หลากหลาย เจนนิเฟอร์ โบรฟี ผู้ช่วยศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมชีวภาพ และเพื่อนร่วมงานของเธอได้ออกแบบชุดวงจรพันธุกรรมสังเคราะห์ที่ช่วยให้พวกเขาควบคุมการตัดสินใจของเซลล์พืชประเภทต่างๆ ในบทความที่ตีพิมพ์เมื่อเร็วๆ นี้ใน Scienceพวกเขาใช้เครื่องมือเหล่านี้ในการปลูกพืชด้วยโครงสร้างรากที่ดัดแปลง งานของพวกเขาเป็นขั้นตอนแรกในการออกแบบพืชผลที่สามารถเก็บน้ำและสารอาหารจากดินได้ดีขึ้น และเป็นกรอบสำหรับการออกแบบ ทดสอบ และปรับปรุงวงจรพันธุกรรมสังเคราะห์สำหรับการใช้งานอื่นๆ ในพืช
“วงจรพันธุกรรมสังเคราะห์ของเราจะช่วยให้เราสามารถสร้างระบบรากที่เฉพาะเจาะจงมากหรือโครงสร้างใบที่เฉพาะเจาะจงมาก เพื่อดูว่าสิ่งใดเหมาะสมที่สุดสำหรับสภาวะแวดล้อมที่ท้าทายที่เราทราบว่ากำลังจะเกิดขึ้น” โบรฟีกล่าว “เรากำลังทำให้วิศวกรรมพืชมีความแม่นยำมากขึ้น”
รหัสโปรแกรมสำหรับพืช
พันธุ์พืชดัดแปลงพันธุกรรมในปัจจุบันใช้ระบบที่ค่อนข้างง่ายและไม่แม่นยำซึ่งทำให้เซลล์ทั้งหมดของพวกมันแสดงยีนที่จำเป็นในการต่อต้านสารกำจัดวัชพืชหรือศัตรูพืช เพื่อให้สามารถควบคุมพฤติกรรมของพืชได้ในระดับดี Brophy และเพื่อนร่วมงานของเธอได้สร้าง DNA สังเคราะห์ซึ่งทำงานเหมือนกับรหัสคอมพิวเตอร์ที่มีประตูลอจิกชี้นำกระบวนการตัดสินใจ ในกรณีนี้ พวกเขาใช้ลอจิกเกทเหล่านั้นเพื่อระบุว่าเซลล์ประเภทใดแสดงยีนบางตัว ทำให้สามารถปรับจำนวนกิ่งในระบบรากได้โดยไม่ต้องเปลี่ยนส่วนที่เหลือของพืช
ความลึกและรูปร่างของระบบรากของพืชส่งผลต่อประสิทธิภาพในการดึงทรัพยากรต่างๆ ออกจากดิน ตัวอย่างเช่น ระบบรากตื้นที่มีกิ่งก้านหลายกิ่งจะดูดซับฟอสฟอรัสได้ดีกว่า (ซึ่งอยู่ใกล้ผิวน้ำ) ในขณะที่ระบบรากที่ลึกกว่าซึ่งแตกกิ่งที่ด้านล่างจะเก็บน้ำและไนโตรเจนได้ดีกว่า นักวิจัยสามารถปลูกและทดสอบการออกแบบรากต่างๆ เพื่อสร้างพืชที่มีประสิทธิภาพสูงสุดสำหรับสถานการณ์ต่างๆ โดยใช้วงจรพันธุกรรมสังเคราะห์เหล่านี้ หรือในอนาคต พวกเขาสามารถให้พืชมีความสามารถในการปรับตัวเองให้เหมาะสม
José Dinnenyรองศาสตราจารย์ด้านชีววิทยาใน School of Humanities and Sciences และหนึ่งในผู้เขียนนำรายงานกล่าวว่า “เรามีพืชผลที่ทันสมัยซึ่งสูญเสียความสามารถในการตอบสนองต่อธาตุอาหารในดิน” “ประตูลอจิกแบบเดียวกันที่ควบคุมการแตกกิ่งก้านสามารถใช้เพื่อสร้างวงจรที่คำนึงถึงความเข้มข้นของไนโตรเจนและฟอสฟอรัสในดินแล้วสร้างผลลัพธ์ที่เหมาะสมที่สุดสำหรับสภาวะเหล่านั้น”
จากสิ่งมีชีวิตต้นแบบสู่พืชผลสมัยใหม่
Brophy ออกแบบวงจรที่มีศักยภาพมากกว่า 1,000 วงจรเพื่อให้สามารถจัดการกับการแสดงออกของยีนในพืชได้ เธอทดสอบมันในใบของต้นยาสูบ โดยดูว่าเธอสามารถทำให้เซลล์ใบสร้างโปรตีนเรืองแสงในที่มืดที่พบในแมงกะพรุนได้หรือไม่ เธอพบการออกแบบที่ได้ผล 188 แบบ ซึ่งนักวิจัยกำลังอัปโหลดไปยังฐานข้อมูล DNA สังเคราะห์เพื่อให้นักวิทยาศาสตร์คนอื่นๆ สามารถใช้ในงานของพวกเขาได้
เมื่อพวกเขามีการออกแบบการทำงานแล้ว นักวิจัยได้ใช้วงจรวงจรใดวงจรหนึ่งเพื่อสร้างประตูตรรกะที่จะปรับเปลี่ยนการแสดงออกของยีนพัฒนาการเฉพาะในเซลล์รากของ Arabidopsis thalianaซึ่งเป็นพืชขนาดเล็กที่มีวัชพืชซึ่งมักใช้เป็น แบบจำลอง โดยการเปลี่ยนระดับการแสดงออกของยีนนั้น พวกเขาสามารถปรับเปลี่ยนความหนาแน่นของกิ่งในระบบรูทได้
ตอนนี้พวกเขาได้แสดงให้เห็นแล้วว่าสามารถเปลี่ยนแปลงโครงสร้างการเจริญเติบโตของสิ่งมีชีวิตต้นแบบได้ นักวิจัยตั้งใจที่จะใช้เครื่องมือแบบเดียวกันนี้กับพืชผลเชิงพาณิชย์ พวกเขากำลังตรวจสอบความเป็นไปได้ของการใช้วงจรทางพันธุกรรมเพื่อจัดการกับโครงสร้างรากในข้าวฟ่าง พืชที่สามารถกลั่นเป็นเชื้อเพลิงชีวภาพ เพื่อช่วยให้ดูดซับน้ำและทำการสังเคราะห์แสงได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น
“การเปลี่ยนแปลงของสภาพอากาศกำลังเปลี่ยนแปลงสภาพทางการเกษตรที่เราปลูกพืชที่เราต้องใช้สำหรับอาหาร เชื้อเพลิง เส้นใย และวัตถุดิบสำหรับยา” โบรฟีกล่าว “ถ้าเราไม่สามารถผลิตพืชเหล่านั้นได้ตามขนาด เราจะประสบปัญหามากมาย งานนี้ช่วยให้แน่ใจว่าเราจะมีพันธุ์พืชที่เราสามารถปลูกได้ แม้ว่าสภาพแวดล้อมที่เราปลูกจะไม่ค่อยเอื้ออำนวยก็ตาม”
ผู้ร่วมวิจัยเพิ่มเติมของ Stanford ในงานวิจัยนี้ ได้แก่ ช่างเทคนิคการวิจัย Katie J. Magallon และ Kiril Kniazev ผู้ร่วมวิจัย Lina Duan นักวิชาการดุษฎีบัณฑิต Prashanth Ramachandran และนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษา Vivian Zhong Dinneny ยังเป็นสมาชิกของ Stanford Bio-X
งานนี้ได้รับทุนจากกระทรวงพลังงานสหรัฐ, กองทุน Burroughs Wellcome Fund, Chan Zuckerberg Biohub และโครงการ HHMI-Simons Faculty Scholars
หากต้องการอ่านเรื่องราวทั้งหมดเกี่ยวกับวิทยาศาสตร์ของสแตนฟอร์ด โปรดสมัครรับข้อมูลจาก Stanford Science Digestรายปักษ์
