چگونه میتوانیم محصولاتی تولید کنیم که بدون آب دوام آورند؟
متن سخنرانی :
از نظر من، راز پرورش محصولات مقاوم به خشکی که باید به نحوی برای حفظ امنیت غذای جهانی به آنها دست‌یابیم برمبنای «گیاهان هفت‌جان» خواهد بود.(گیاهان رستاخیز دار) همانطور که در اینجا در این محیط بسیار خشک تصویر شده. ممکنه این گیاه مرده به نظر بیاد ولی اینطور نیست. بهشون آب بدید تا دوباره بازیابی شوند و سبز شده و در عرض ۱۲ تا ۴۸ ساعت شروع به رشد کنند.حالا چرا پیشنهاد میدهیم که پرورش گیاهان مقاوم به خشکی، امنیت غذایی به دنبال خواهد داشت؟ خوب جمعیت فعلی جهاندر حال حاضر ۷میلیارد نفر است. و تخمین زده می‌شود تا سال ۲۰۵۰ به ۹ تا ۱۰ میلیارد نفر برسد که بیشترین بخش این رشد در آفریقا رخ خواهد داد.
سازمان غذا و کشاورزی جهانی(فااو) پیشنهاد افزایشی ۷۰درصدی در رویه تولید محصولات کشاورزی فعلی داده تا به نیازها پاسخ داده شود. با این فرض که گیاهان اساس زنجیره غذایی هستند، پس بیشتر غذا باید از گیاهان تامین شود.
این ۷۰ درصد در ملاحظات تغییرات آب و هواییلحاظ نمی‌شود.
این اطلاعات برگرفته از تحقیقی است که در سال ۲۰۱۱ توسط Dai انجام گرفته که در آن تمام ملاحظات باالقوه تغییرات آب و هوایی در نظر گرفته شده و به این صورت بیان شده --در میان سایر چیزها -- افزایش خشکی در اثر کاهش بارندگی یا بارش نامنظم. نواحی که با رنگ قرمزدر اینجا نشان داده شده‌اند جاهایی هستند که اخیرا به صورت موفقیت‌آمیزیبرای کشاورزی استفاده شده‌اند ولی به دلیل کمبود بارشدیگر این امکان وجود ندارد. این رخدادی است کهبرای سال ۲۰۵۰ پیش‌بینی می‌شود. بیشتر آفریقا و در اصل بیشتر دنیا دچار مشکل خواهند شد. بنابراین ناچاریم که به دنبال روشهایبسیار هوشمندانه برای تولید غذا بگردیم. و میان آنها ترجیحا دنبالمحصولات مقاوم به خشکسالی باشیم.
نکته دیگر در مورد آفریقا دیم بودن اکثر کشت آنهاست.
درحقیقت تولید محصولات مقاومبه خشکسالی جزو کارهای آسان نیست. و دلیلش هم آب میباشد. آب برای حیات گیاه ضروریست. تمام ارگانیسمهای زنده و پویا از میکروب‌ها گرفته تا من و شما شامل بخش بزرگی آب می‌باشیم تمام واکنشهای زندگی در آب رخ میدهد. و کمبود مقدار کمی آب منجر به مرگ می‌شود. منو شما ۶۵ درصد آب هستیم-- که اگر یک درصد آن کم شود خواهیم مرد. ولی میتوانیم با تغییر رفتار از آن پرهیز کنیم. ولی گیاهان نمی‌توانند. اونها در زمین گیر هستند. و بنابراین کمی بیش از ما به آب نیاز دارند حدود ۹۵ درصد. و کمی بیش از ما هم می‌توانند از دست بدهند بین ۱۰ تا ۷۰ درصد بسته به نوع نمونه ولی فقط برای یک دوره کوتاه.
بیشتر آنها هم در مقابل از دست دادن آب مقاومت میکنند. می‌توان نمونه‌هایی از این گیاهان بسیار مقاومرا در میان گیاهان گوشتی(آبدار) پیدا کرد. معمولا به کوچک شدنو جاذب قوی بودن تمایل دارند ولی به بهای گزافی این آب را نگه می‌دارند و درعوض رشد بسیار کندی دارند. مثالهایی از جلوگیری از دست دادن آبرا می‌توان در گیاهان و درختان یافت. ریشه‌های عمیقی را به پایین می‌فرستند و برای معادن آب زیرزمینی کاوش میکنند و در تمام مدت به انتقال آب مشغول‌اند تا زنده بمانند و خشک نشوند.
این یکی بائوباب نام داره که به درخت برعکس هم معروفه برای اینکه نسبت ریشه‌هابه شاخه‌ها عدد بسیار بزرگیه که به نظر میرسه یهدرخت رو برعکس کاشته باشن. و البته ریشه‌ها برای آب رسانی به درخت لازم‌اند.
و از سوی دیگر شاید معمول‌ترین استراتژيبرای جلوگیری از خشک شدن را بتوان در گیاهان یک ساله دید. یک ساله ها بخش اعظمی ازمنابع غذایی گیاهی ما را تشکیل می‌دهند. در کرانه ساحل غربی کشور من، در بیشتر اوقات سال، گیاهان زیادی را مشاهده نمی‌کنید. ولی وقتی باران بهاری بباردشما این را مشاهده می‌کنید: به گل نشستن صحرا.
استراتژی در دوره‌های زمانی یک ساله روییدن فقط در فصل بارش است. در پایان فصل دانه تولید میکنند که خشک است و فقط ۸ تا ۱۰ درصد آب دارد. ولی در اوج زندگیست. و هرچیزی که اینقدر خشکو اینقدر هم زنده باشد به آن لقب مقاوم به خشکی داده‌ایم.
در حالت خشکی کاری که دانه می‌تواند انجام دهداین است که در این محیط خشن برای یک دوره طولانی دوام آورد. وقتی دوره بارانی بعدی فرا می‌رسد جوانه زده و رشد میکنند و همه چرخه از اول اجرا می‌شود.
به عقیده بسیاری فرگشتدانه‌های مقاوم به خشکی باعث گسترش گیاهان گلدار یا آنژیواسپرمها روی زمین شده است
ولی بگذارید به همان گیاهان یک ساله برگردیمکه بنیان منابع غذایی ما هستند. گندم، برنج و ذرت۹۵ درصد منبع غذایی ما را تشکیل می‌دهند. که البته راهبرد بسیار خوبیست؛ از این نظر که در یک دوره کوتاه مدت می‌توانمقدار زیادی دانه تولید کرد. دانه‌ها غنی از انرژی هستند بنابراین می‌توانندوقدار زیادی کالری تولید کنند که می‌توان آنها را در زمان فراوانیبرای زمان قحطی ذخیره کرد. ولی اشکالی هم وجود دارد. بافت گیاهی ریشه‌ها و برگهای یک ساله‌ها خیلی خاصیت مقاومت یا نفوذناپذیری[به خشکی] را ندارد. درحقیقت نیازی به این خاصیت نداشته‌اند. در فصل بارش رشد میکنند وبرای کمک به بقای خود،دانه‌ای تولید میکنند.
با این حال تلاشهای زیادیدر زمینه کشاورزی انجام شده تا محصولاتی با خصوصیات بهتر تولید شوند و مقاومت و ممانعت از خشکیو همینطور تحمل آن -- مخصوصا مقاومت و ممانعت از خشکی چون مدلهای خوبی داریمکه طرز کارشان را نشان میدهد-- هنوز تصویرهایی مانند این می‌گیریم مزرعه ذرت در آفریقا دو هفته بدون بارش باران و خشک شده است.
راه‌حلی وجود دارد: گیاهان رستاخیز دار. این گیاهان می‌توانند تا ۹۵درصد آب سلولهای خود را از دست دهند و در یک وضعیت خشک و مثل مرده‌هابرای ماهها یا سالها باقی می ماند بهش آب بدید دوباره سبز خواهد شد و رشد می‌کند. مثل دانه ها اینها هم مقاوم به خشکی هستند. مثل دانه ها اینها هم میتواننددر بدترین نقطه با شرایط زیستی کنار بیایند. که پدیده نادری است. فقط ۱۳۵ گیاه گلدار وجود دارندکه می‌توانند چنین کاری انجام دهند.
حالا میخوام به شما فیلمی نشان دهم از روند رستاخیز سه تا از این گیاهان با این ترتیب. و در پایین یک محور زمان وجود دارد که میتوانید ببینید با چه سرعتی رخ میدهد.
(تشویق)
خیلی جالبه نه؟
برای همین اقلا ۲۱ سال را صرففهمیدن چگونگی انجامش کرده‌ام. چطور این گیاهان خشک می‌شوند ولی نمی‌میرند؟ روی تعدادی از نمونه‌هایرستاخیزدار کار کرده‌ام که در اینجا در حالت خشکو آبدار نشان داده شده‌اند به چند دلیل.
یکی از آنها این است که هرکدامشان یک مدل مهیا میکنند تا بتوانیم محصولات مقاوم به خشکی تولید کنیم.
در بالای گوشه سمت چپ، برای مثال می‌توان یک نمونه علف مشاهده کرد که «Eragrostis nindensis» نامیده می‌شود یک خویشاوند نزدیک بنام«Eragrostis tef» هم دارد-- که احتمالا بسیاری ازشما آن را به‌نام «teff» می‌شناسید که در اتیوپی یک غذای اصلی و ضروری است بدون گلوتن است و یکی از چیزهاییست که دوست داریمنوع مقاوم به خشکی آن را تولید کنیم.
یکی دیگر از دلایل جستجو به دنبال تعدادی از نمونه‌ها این است که؛ اقلا در ابتدا میخواهم بفهمم آیا به یک صورت عمل میکنند؟ آیا همشون از یک مکانیزم استفاده میکنند تا بتوانند کل آبشانرا از دست بدهند ولی نمیرند؟
به همین دلیل از یک راهکارزیست شناسی سیستمی استفاده کردم تا بتوانم یک فهم کامل از مقاومت به خشکی به دست آورم. هنگامی که با آن مدل به چیزی نگاه می‌کنیم از مقیاس سلولی تا کل گیاهو سطح اکوفیزیولوژی قابل تفسیر باشد.
برای مثال وقتی به چیزی مثل تغییرات در آناتومی گیاه خشک شده می‌نگریم و ساختارهای بزرگ و بیرونی آن. ما به «ترنسکریپتومیکس» می‌نگریم که فقط بخشی از فناوریست که در ژنهایی می‌یابیم که در پاسخ به خشکی روشن یا خاموش می‌شوند. بیشتر ژنها برای پروتئین‌ها رمزگذاری شده‌اندبنابراین ما هم به دنبال پروتئین هستیم. چه پروتئین‌هایی در پاسخ به خشکی ساخته می‌شوند؟ بعضی پروتئین‌هابرای آنزیمهایی رمزنگاری شده‌اند که متابولیت‌ها را تولید میکنند. بنابراین به دنبال متابولیت‌ها هم هستیم.
از آنجایی که گیاهان ثابت در زمین قرار دارند این اطلاعات مهم‌اند که از چه بخشی از «خزانه بسیاربهینه مواد شیمیایی» خود استفاده میکنند تا خودشان را از تمام تنش‌های محیطی محافظت کنند. بنابراین مهم است که به تغییرات شیمیایی مرتبط با خشکی بنگریم.
در آخرین تحقیقاتمان در مقیاس مولکولی به بررسی لیپیدوم پرداختیم-- تغییرات لیپید در پاسخ به خشکی. اهمیت آن از سوی دیگر از این بابت است که تمامغشاهای زیستی از جنس لیپیدها هستند. آنها غشا هستند چون در آب هستند. آنها را از آب خارج کنیدآنگاه آن غشاها هم از کار می‌افتند. از سوی دیگر لیپیدها به صورت سیگنالیبرای روشن کردن ژنها هم عمل میکنند.
پس یک سری تحقیقات زیست شناسیو زیست شیمی را بکار بستیم تا به فهم عملکرد این موادمحافظ احتمالی برسیم که در تحقیقات دیگرمان کشف کرده بودیم. سپس با بکاربستن تمام آن تحقیقات به فهمی از چگونگی روبرو شدنگیاهان با محیط رسیدیم.
من همیشه به میزان دانش زیست شناسی مورد نیاز که برای فهم کلی از مکانیزمهای مقاومت به خشکی نیاز بوده دسترسی داشته‌ام تا بتوانم برای توصیف یک عملکرد زیستیپیشنهاد با معنی بدهم
مطمئنم بعضی از شما فکر می‌کنید «منظورش از گفتن عملکرد زیستی ساخت محصولات کشاورزی تراریخته نیست؟» و پاسخ به چنین سوالی این است: بسته به تعریف شما از دستکاری ژنتیکی
تمام محصولاتی که ما امروزه می‌خوریممثل گندم و برنج و ذرت نسبت به اجداد خود به شدت دچار تغییرات ژنتیکی شده‌اند ولی ما آنها را GM دسته‌بندی نمی‌کنیم برای اینه آنها با تولید مثل طبیعی تولید شده‌اند اگر منظور شما این است که آیا من میخواهم ژنهای رستاخیزشونده را درون محصولا کار بگذارم پاسخ شما این است: بله!
و به رسیدن سریع به این راهکار هم اهمیت زیادی دارد. بعضی از همکاران دانشگاهیم در UCT خصوصا جنیفر تامسون و سهیل رفودین پیشگامان این مسیر هستند که به زودی یک سری داده در موردش به شما نشان خواهم داد.
الان در حال اجرایی کردن یک اندیشه بسیار جاه‌طلبانه هستیم که هدفش روشن کردن تمام ژنهاییست که همین الان در هر محصول کشاورزی وجود دارند. موضوع این است که این ژنها به غیر از شرایط بسیار سخت خشکی ذوشن نمیشوند. این را دیگر به شما وامیگذارم تا ببینید به چنین محصلاتی بگوییم GM یا خیر.
حالا میخوام تا یک سری دده مربوط به رهیافت اول به شما نشان دهم در ادامه توضیحات مختصرم در مورد کارکرد ژنها.
احتمالا همه می‌دونید که ژنها از DNA ساخته شده‌اند که خیلی محکم در کروموزومها پیچیده شده‌اند که در هر سلول شما یا بدن گیاهان وجود دارند. اگر شما DNA را باز کنید ژنها را خواهید یافت. که هر ژن هم یک راه انداز ژن دارد که مثل کلید روشن/خاموش میباشد ناحیه رمزگذاری شده ژن و سپس یک بخش پایان‌دهنده که بدین معناست که به پایان ژن رسیده‌ایم و ژن بعدی شروع می‌شود
البته راه‌انداز فقط یک کلید ساده روشن/خاموش نیست معمولا به تنظیمات بسیار دقیقی نیاز دارند و بسیاری از چیزها باید وجود داشته باشند و درست سرجای خود قرار گیرند تا ژن روشن شود. چیزی که در تکنولوژی زیستی انجام می‌شود کار روی یک راه‌انداز قابل تحریک است که می‌دانیم چطور روشنش کنیم. بعدش اون راه‌انداز رو به ژنی که دوست داریم وصل می‌کنیم و درون گیاه قرار میدهیم و پاسخ گیاه رو برررسی می‌کنیم.
در آزمایشی که میخواهم در موردش صحبت کنم همکاران دانشگاهی من روی یک راه‌انداز قابل تحریک با خشکی کار کرده‌اند که در یک گیاه رستاخیزدار یافته‌ایم. قسمت جالب کار با این راه‌انداز این است که ما نیاز نیست کاری انجام بدیم و گیاه خودش خشکی را حس می‌کند. و ما از آن برای تحریک ژنهای آنتی‌اکسیدانی که از گیاه رستاخیزدار گرفته‌ایم استفاده کردیم حالا چرا ژنهای آنتی‌اکسیدان؟ خوب هر تنشی خصوصا خشکی باعث تشکیل رادیکالهای آزاد می‌شود یا نمونه‌های واکنشی با اکسیژن که به شدت آسیب‌زننده هستند و ممکن است به مرگ گیاه منجر شود که آنتی‌اکسیدان می‌تواند جلوی این آسیب را بگیرد.
حالا به این اطلاعات که از یک نمونه ذرت استخراج شده بنگرید که کشت آن در آفریقا خیلی معمول است سمت چپ فلش گیاهانی‌اند که بدون ژن هستند و در سمت راست-- گیاهانی‌اند که ژن آنتی‌اکسیدان دارند. بعد از سه هفته بدون آبیاری. اونهایی که این ژن رو دارند خیلی خیلی بهتر حفظ شده‌اند.
حالا راهکار آخر تحقیقات من نشان داده که شباهت چشمگیری بین دانه‌های مقاوم به خشکی و گیاهان رستاخیزدار از لحاظ ساختاری وجود دارد. خوب حالا این سوال مطرح است آیا هردو از یک نوع ژن بهره می‌برند؟ یا به عبارت دیگر آیا گیاهان رستاخیزدار از همان ژنهایی استفاده میکنند که طی فرایند فرگشت در دانه‌های مقاوم به خشکی به وجود آمده و آنها را در ریشه‌ها و برگهایشان به کار می‌گیرند؟ آیا این ژنهای دانه‌ها وظیفه جدیدی در ریشه‌ها و برگهای گیاهان رستاخیزدار بر عهده گرفته‌اند؟
و من به پاسخ به این پرسش رسیده‌ام در پی تحقیقات بسیاری که توسط گروه من انجام شد و با همکاری اخیری که با گروهی از Henk Hilhorst هلند داشته‌ایم و همینطور Mel Oliver از آمریکا و Julia Buitink از فرانسه و پاسخ این است: «بله!» ژنهای اصلی وجود دارند که در هردو مشترک‌اند
که میخوام خیلی واضح در مورد یک ذرت آنها را به تصویر بکشم که کروموزوم‌های زیر کلید خاموش نمایانگر تمامی ژنهایی هستند که برای تحمل خشکی نیازند. به محض اینکه دانه‌ها در مرحله آخر تشکیل دانه‌های ذرت خشک شوند این ژنها روشن خواهند شد. گیاهان رستاخیزدار هم همین ژنها را روشن میکنند وقتی که خشک می‌شوند. بنابراین تمام محصولات جدید کشاورزی در برگها و ریشه‌هایشان این ژنها را دارند و فقط هیچگاه روشنشان نمی‌کنند. آنها فقط ژنها را برای بافت دانه‌ها روشن میکنند.
کاری که ما الان می‌خواهیم انجام دهیم فهم علائم محیطی و سلولی است که این ژنها را در گیاهان رستاخیزدار روشن میکنند تا این فرایند را در محصولات کشاورزی تقلید کنیم.
و در نهایت می‌رسیم به ایده نهایی که درتلاشیم کاری را با سرعت بسیار زیاد انجام دهیم که تقلیدی است از کاری که طبیعت طی فرایند فرگشت در مورد گیاهان رستاخیزدار حدودا ۱۰ تا ۴۰ میلیون سال پیش انجام داده است.
از طرف خودم و گیاهانم برای توجه شما سپاسگذارم.
(تشویق)
