دکتر الکس هارکس زیست‌شناس گیاهی و آزمایشگاه او در موسسه بیوتکنولوژی HudsonAlpha در حال ماموریتی برای تغییر آینده محصولات غذایی و فیبر، یک گونه گیاه گلدار در هر زمان هستند. بسیاری از اصلاح نباتات و تولید غذای جهانی به گرده افشانی گل ها برای تولید میوه هایی که خورده می شوند و برای تولید نتاج بیشتر استفاده می شوند، متکی است. این فرآیند ممکن است ساده به نظر برسد، اما در واقع با این واقعیت پیچیده است که برخی از گل‌ها فقط دارای اندام‌های تناسلی نر یا ماده هستند، برخی دیگر حاوی هر دو (هرمافرودیت) هستند و برخی حتی می‌توانند جنسیت خود را تغییر دهند.
اینکه چگونه گل ها نر، ماده یا هرمافرودیت می شوند پدیده ای پیچیده است. اگرچه به طور کامل درک نشده است، اما برای برنامه های اصلاح محصولات کشاورزی که به دنبال ایجاد محصولات غذایی و فیبری هستند که بهتر با فشارهای محیطی در حال تغییر سازگار باشند، ضروری است. این امر به ویژه در گونه‌های زراعی که یک جنس گیاهی ارزشمندتر از دیگری است صادق است، مانند رازک ماده که مخروط‌هایی تولید می‌کند که در صنعت آبجو استفاده می‌شود، گیاهان مارچوبه نر که عمر طولانی‌تری در مزارع دارند، و میوه‌های پاپایای هرمافرودیتی که طعم بهتری نسبت به میوه‌های ماده دارند.
در حالی که مکانیسم دقیق تعیین جنسیت در بسیاری از گونه ها یک راز است، به طور گسترده پذیرفته شده است که ژنتیک نقش اصلی را بازی می کند. دکتر هارکس و اعضای آزمایشگاه او در استفاده از ژنومیک برای درک تولید مثل گیاهان و ژن‌های کنترل کننده جنسیت در گل‌ها متخصص هستند. ژن های تعیین جنسیت تنها در پنج گونه گیاهی به طور مشخص تعریف شده اند که هارکس نقش مهمی در شناسایی آنها در مارچوبه ایفا می کند.
سال گذشته، هارکس جایزه معتبر شغلی بنیاد ملی علوم (NSF) را برای مشخص کردن کروموزوم‌های جنسی و ژن‌های تعیین‌کننده جنسیت در هر ردیف از گیاهان گلدار دریافت کرد. در ادامه آن شتاب، HudsonAlpha و همکارانشان New West Genetics، اخیراً یک کمک هزینه از مؤسسه ملی غذا و کشاورزی وزارت کشاورزی ایالات متحده (USDA-NIFA) دریافت کردند که با هدف بازگشایی پتانسیل کامل کنف صنعتی، یک گیاه همه کاره استفاده می شود. قرن ها برای اهداف مختلف.
New West Genetics یک رهبر جهانی در ایجاد ژنتیک دانه کنف با کیفیت و پایدار است که ویژگی‌های آن برای پایداری، غذا، خوراک و کاربردهای فیبر افزایش می‌یابد. برای ده سال متوالی، این شرکت یک برنامه اصلاح نژاد در مقیاس تجاری در سراسر ایالات متحده و کانادا ایجاد کرده است. این تیم با استفاده از تجربیات قبلی از محصولاتی مانند کلزا هیبریدی، ذرت، سورگوم و گندم، اصلاح سنتی، ژنومیک مدرن و تخصص زراعی را برای ایجاد بذر شاهدانه غیر GMO که برای بازارهای مختلف پرورش داده شده است، ترکیب می‌کند.
بازار رو به رشد کنف صنعتی
کنف (شاهدانه ساتیوا) یک گیاه گلدار یکساله بومی آسیای شرقی است. قرن هاست که به عنوان منبع فیبر صنعتی، روغن دانه، غذا و دارو کشت می شود. به لطف فرهنگ عمومی و رسانه های اجتماعی، بسیاری از مردم اغلب شاهدانه را با پسر عموی گیاه شناسی آن، ماری جوانا اشتباه می گیرند، زیرا هر دو عضو این گروه هستند. حشیش خانواده. بر خلاف ماری جوانا، شاهدانه حاوی سطوح بسیار پایینی از تتراهیدروکانابینول (THC) است، ترکیب روانگردانی که در هنگام مصرف باعث ایجاد “بالا” می شود.
از زمانی که کنف به صورت تجاری در تمام 50 ایالت با تصویب لایحه مزرعه 2018 قانونی شد، زنجیره تامین و تقاضا برای محصولات غلات و الیاف به طور پیوسته در حال افزایش است. علاوه بر این، داده‌های فزاینده‌ای در مورد علائم پایداری بالاتری که کنف به دست می‌آورد، منتشر می‌شود، با ساختار ریشه عمیق و عظیم آن که کربن بیشتری را نسبت به محصولات ردیفی معمولی جذب می‌کند و نیاز آن به ورودی‌های کمتر و مقاومت بیشتر در برابر خشکی و آفات است.
کنف به دلیل کاربردهای صنعتی همه کاره خود به طور گسترده ای شناخته شده است. الیاف بلند و بادوام آن دارای خاصیت جذب رطوبت عالی است و آنها را برای منسوجات، مصالح ساختمانی، پلاستیک های زیستی، بستر حیوانات و غیره ایده آل می کند. بعلاوه، دانه های شاهدانه یک محصول با ارزش دانه/ دانه روغنی هستند که سطوح بالایی از پروتئین، چربی های سالم و مواد مغذی ضروری را ارائه می دهند. این بیشتر با مشخصات تغذیه‌ای سویا قابل مقایسه است، اگرچه روغن‌های آن بسیار مغذی‌تر هستند. روغن دانه شاهدانه، سرشار از اسیدهای چرب امگا 3 و امگا 6 است که می تواند در محصولات مختلف روغن خوراکی و پروتئین استفاده شود. این مشخصات روغن برجسته، همراه با ویژگی AMPLIFY™ NWG، آن را به یک کاندیدای اقتصادی مناسب برای سوخت های پایدار تبدیل می کند.
NWG AMPLIFY™، اولین هیبرید کنف تجاری و مقیاس پذیر، از نظر ژنتیکی نسبت جنسیت را از نسبت متوسط اجدادی 50:50 ماده به نر به نسبت زن به مرد 90:10 تغییر می دهد. این تغییر، همراه با قدرت هیبرید، باعث دو برابر شدن عملکرد دانه و گل و در مجموع قدرت و یکنواختی بیشتر می شود.
NWG AMPLIFY پویایی اقتصادی تولید کنف را تغییر می دهد، به ویژه برای قسمت دانه. با بازدهی مضاعف از لیپیدها و پروتئین‌های سالم، می‌توانیم با مقرون به صرفه بودن سویا رقابت کنیم، اما با جذب کربن بیشتر. AMPLIFY کشاورزان، سازندگان مواد و پردازنده‌های سوخت پایدار را قادر می‌سازد تا گزینه چرخشی جدیدی را اتخاذ کنند که یک محصول بسیار ارجح‌تر برای مصرف‌کنندگان امروزی است، که ترجیحات شدیدی را برای ارزش غذایی و پایداری غذایی که مصرف می‌کنند بیان می‌کنند.
وندی موشر، مدیرعامل New West Genetics
پرورش کنف صنعتی بهتر برای منبع پایدار فیبر، پروتئین و روغن
کنف دوپایه است و دارای جنس نر و ماده مجزا است. گیاهان کنف ماده معمولاً از نظر قد بزرگتر از نرها هستند و زیست توده بیشتری تولید می کنند و عملکرد فیبر کنف را در هر هکتار افزایش می دهند. علاوه بر این، فقط گل های ماده دانه هایی تولید می کنند که حاوی سطوح بالایی از لیپیدها و پروتئین های سالم هستند. به این دلایل، پرورش دهندگان شاهدانه خواهان رشد درصد بالایی از گیاهان ماده در مزارع خود هستند.
کنف دارای یک سیستم تعیین جنسیت XY است که در آن زنان دارای دو کروموزوم X و مردان دارای یک کروموزوم X و یک کروموزوم Y هستند. مانند اکثر سیستم های XY، کنف عموماً با نسبت نر به ماده 50:50 تولید مثل می کند. از آنجایی که مکانیسم تعیین جنسیت در کنف ناشناخته است، پرورش دهندگان در حال حاضر گیاهان شاهدانه را با استفاده از مواد شیمیایی زنانه می کنند تا نتاجی که عمدتاً ماده هستند ایجاد کنند. گیاهان زنانه بذرهای بارور نمی سازند، بنابراین این فرآیند باید هر فصل تکرار شود. درک مکانیسم ژنتیکی که بوسیله آن گیاهان نر یا ماده می شوند، امکان پرورش گیاهان ماده بیشتری را بدون افزودن مواد شیمیایی به کمک ژنومیک فراهم می کند.
هارکس و آزمایشگاهش از طریق کمک مالی اخیراً NIFA USDA، قصد دارند پنج ژنوم کنف با کیفیت بالا بسازند که برای شناسایی و تجزیه و تحلیل جفت‌های کروموزوم جنسی کنف استفاده می‌شود. کروموزوم‌های جنسی گیاهی به سختی شناسایی می‌شوند و به سختی جمع‌آوری می‌شوند، زیرا کاملاً از گونه‌ای به گونه دیگر متفاوت هستند. آزمایشگاه هارکس خط لوله‌ای به نام سیتوژنتیک با توالی (CBS) ایجاد کرد تا کروموزوم‌های جنسی در گیاهان را آسان‌تر و ارزان‌تر شناسایی و مشخص کند. آنها تاکنون با موفقیت از خط لوله CBS روی نزدیک به 30 گونه گیاهی و حتی جانوری دوپایه استفاده کرده اند.
هارکس می‌گوید: «جنس‌های نر و ماده مجزا صدها و نه هزاران بار در گیاهان تکامل یافته‌اند، و یافتن ژن‌هایی که تعیین جنسیت را کنترل می‌کنند بسیار چالش برانگیز است زیرا اکثر گیاهان این کار را بسیار متفاوت از یکدیگر انجام می‌دهند. این ژن‌ها روی کروموزوم‌های جنسی یافت می‌شوند که چالش‌برانگیزترین کروموزوم‌ها برای توالی‌یابی و جمع‌آوری در گیاهان هستند. با این حال، با تخصص تاریخی هادسون آلفا در توالی‌یابی ژنوم گیاهان، اکنون می‌توانیم پیچیدگی کامل کروموزوم‌های جنسی را در گونه‌هایی مانند کنف آشکار کنیم. و در نهایت به ژن‌هایی که این صفت با ارزش کشاورزی و اقتصادی را کنترل می‌کنند محدود شود.»
استفاده از CBS برای بررسی کروموزوم‌های جنسی کنف به هارکس و آزمایشگاهش اجازه می‌دهد تا ژن‌های اصلی تعیین جنسیت را در کنف شناسایی کنند، که می‌تواند برای کنترل جنسیت و افزایش نسبت گیاهان ماده اصلاح شود و منجر به بازده بالاتر فیبر، روغن و پروتئین پرورش بیشتر گیاهان شاهدانه ماده باعث افزایش عملکرد و کیفیت فیبر، غلات و محصولات روغنی کنف می شود و آن را به یک محصول پایدار و ارزشمند برای کشاورزان و مصرف کنندگان تبدیل می کند.
جان مک کی، CTO NWG و پروفسور ژنتیک گیاهی در دانشگاه ایالتی کلرادو، می‌گوید: «به‌دست آوردن درک بیشتر از مبنای ژنومی جنسیت، ابزار قدرتمندی برای بهبود ژرم پلاسم خواهد بود». “ما همچنین کنجکاو هستیم که ببینیم آیا این اکتشافات می تواند برای اهداف پرورش دهنده نر/ماده در گونه های دیگر، چه گیاهی و چه جانوری آموزنده باشد یا خیر. کار با هادسون آلفا در این کمک مالی هیجان انگیز خواهد بود و منجر به تحقیقات با کیفیت با کاربردهای تجاری قوی خواهد شد.”
این کار توسط مؤسسه ملی غذا و کشاورزی USDA تحت شماره کمک مالی 2023-67013-39620 پشتیبانی می شود.
منبع:
موسسه بیوتکنولوژی هادسون آلفا