การเขียนโปรแกรมซ้ำ ‘วงจรพันธุกรรม’ สามารถช่วยให้พืชปรับตัวเข้ากับการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศได้ในที่สุด วิทยาศาสตร์แจ้งเตือน:

นักพันธุศาสตร์จากมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ดได้ค้นพบวิธีปรับแต่งโครงสร้างของรากพืชในขณะที่พวกมันเติบโตและแตกกิ่งก้านสาขา

ด้วยการจัดการความลึกและรูปร่างของระบบรากที่กำลังเติบโต นักวิจัยหวังว่าสักวันหนึ่งจะสามารถโปรแกรมพืชผลใหม่เพื่อให้มีความยืดหยุ่นต่อการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศมากขึ้น

ตัวอย่างเช่น ระบบรากที่ตื้นขึ้นสามารถช่วยให้พืชดูดซับฟอสฟอรัสใกล้พื้นผิวได้ดีขึ้น ในขณะที่ระบบรากที่ลึกกว่าอาจดีกว่าสำหรับการรวบรวมน้ำและไนโตรเจน

“แผนพันธุกรรมสังเคราะห์ของเราจะช่วยให้เราสามารถสร้างระบบรากที่เฉพาะเจาะจงมากหรือโครงสร้างใบที่เฉพาะเจาะจงมาก เพื่อดูว่ารูปแบบใดเหมาะสมที่สุดสำหรับสภาพแวดล้อมที่ซับซ้อนซึ่งเรารู้ว่ากำลังจะเกิดขึ้น” เจนนิเฟอร์ โบรฟี นักวิศวกรรมชีวภาพจากมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ดอธิบาย

“เรากำลังทำให้วิศวกรรมโรงงานแม่นยำยิ่งขึ้น”

วิธีการทางพันธุกรรมที่ Brophy และเพื่อนร่วมงานของเขาใช้เพื่อให้ได้ความแม่นยำสูงเช่นนี้ อาจทำให้โปรแกรมพืชใหม่ได้เร็วกว่าที่พวกมันจะปรับตัวได้และแม่นยำกว่าที่พวกมันสามารถสร้างขึ้นสำหรับลักษณะที่ต้องการได้

นักวิจัยได้สร้างวงจรพันธุกรรมสังเคราะห์ที่ควบคุมการแสดงออกของยีนโดยใช้เซลล์ต้นยาสูบ และแสดงให้เห็นว่ามันทำงานอย่างไรในโรงงานอื่น

คุณสามารถนึกถึงวงจรพันธุกรรมได้เหมือนกับรหัสคอมพิวเตอร์ที่มีลอจิกเกท เฉพาะค่าอินพุตที่ถูกต้องเท่านั้นที่สามารถเข้าสู่เกตและสร้างเอาต์พุตได้

วงจรชีวภาพเหล่านี้คล้ายกับวงจรไฟฟ้าที่มีสวิตช์ เช่นเดียวกับวงจรที่จ่ายไฟให้กับโทรศัพท์ของคุณ

วงจรยีนสังเคราะห์ของพืช
“แผนผัง” ที่สื่อความหมายของวงจรยีนสังเคราะห์ที่เชื่อมต่อรากพืช (เจนนิเฟอร์ โบรฟี/มหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด)

ในเซลล์ ประตูเหล่านี้ซึ่งท้ายที่สุดจะนำไปสู่การแสดงออกทางพันธุกรรม สามารถเปิดได้โดย “โปรโมเตอร์” สังเคราะห์การถอดรหัสที่จำเพาะกับเนื้อเยื่อพืชบางชนิดเท่านั้น ซึ่งหมายความว่านักวิจัยสามารถควบคุมเซลล์ในพืชที่แสดงออกถึงยีน เปลี่ยนแปลงวิธีที่พืชเติบโต

โดยการสร้างชุดของลอจิกเกทสังเคราะห์สำหรับยีนเดี่ยวที่เกี่ยวข้องกับการพัฒนารากด้านข้าง นักวิจัยสามารถจัดการกับการเจริญเติบโตของพืชวัชพืชขนาดเล็กที่เรียกว่า Arabidopsis thaliana.

โดยการเปลี่ยนการแสดงออกของยีนตัวหนึ่งนั้น นักวิจัย เปลี่ยนความหนาแน่นของกิ่งในระบบรากของพืช โดยไม่กระทบต่อคุณสมบัติของรูทอื่นๆ

นี่เป็นความสำเร็จครั้งสำคัญ เนื่องจากการศึกษาอื่นก่อนหน้านี้แสดงให้เห็นว่าการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยในยีนการพัฒนารากเดียวนั้นส่งผลต่อคุณสมบัติของรากทุกชนิด เช่น การพัฒนาของรากผมหรือการเจริญเติบโตของรากปฐมภูมิ

“เพื่อแยกการแตกกิ่งก้านออกจากกระบวนการพัฒนาอื่น ๆ เราแสดง slr-1: ยีนกลายพันธุ์โดยใช้โปรโมเตอร์เฉพาะเนื้อเยื่อที่ทำหน้าที่เฉพาะในเซลล์ต้นกำเนิดจากรากด้านข้างเท่านั้น” นักวิจัยเขียน

ต่อไป ผู้เขียนวางแผนที่จะทดสอบวงจรพันธุกรรมที่โปรแกรมใหม่บนข้าวฟ่าง ซึ่งเป็นพืชผลที่มีเอกลักษณ์เฉพาะซึ่งถือเป็นเชื้อเพลิงชีวภาพ ทีมงานหวังว่าจะปรับปรุงความสามารถในการดูดซับน้ำของข้าวฟ่างและดำเนินการสังเคราะห์แสงได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น

หากปรากฎว่าเทคนิคทางพันธุกรรมนี้มีประสิทธิภาพ ความเป็นไปได้ของมันก็ไม่มีที่สิ้นสุด อย่างไรก็ตาม การตั้งโปรแกรมพืชใหม่โดยใช้วงจรพันธุกรรมสังเคราะห์ จะต้องมีการปรับแต่งอย่างละเอียด

“เรามีพันธุ์พืชสมัยใหม่ที่สูญเสียความสามารถในการตอบสนองต่อตำแหน่งของธาตุอาหารในดิน” นักชีววิทยาพืช Jose Dineni จาก Stanford กล่าว

“ประตูตรรกะเดียวกันกับที่ควบคุมการแตกกิ่งก้านสามารถใช้เพื่อสร้างวงจรที่คำนึงถึงความเข้มข้นของไนโตรเจนและฟอสฟอรัสในดินแล้วสร้างผลลัพธ์ที่ดีที่สุดสำหรับสภาวะเหล่านั้น”

เผยแพร่ผลการศึกษาแล้ว ศาสตร์.