آنزیم RuBisCO که برای تبدیل دیاکسیدکربن به ترکیبات آلی در فتوسنتز ضروری است، بهخاطر کارایی پایین و اختصاصیت کمش نسبت به CO₂، بهعنوان یک مانع مهم در بهبود عملکرد فتوسنتزی گیاهان شناخته میشود. یکی از مسیرهای امیدبخش برای افزایش بهرهوری فتوسنتز، اصلاح ژنتیکی RuBisCO است. این آنزیم از دو نوع زیرواحد تشکیل شده: زیرواحد بزرگ (RbcL) که جایگاه فعال آنزیم را دارد و زیرواحد کوچک (RbcS) که ساختار آنزیم را تثبیت میکند و در تنظیم عملکرد آن نیز نقش دارد. با اینکه بیشتر مطالعات قبلی روی زیرواحد بزرگ متمرکز بودهاند، شواهد جدیدی نشان میدهد که تغییر در RbcS هم میتواند تأثیر زیادی بر فعالیت RuBisCO بگذارد.
در این تحقیق، محققان با استفاده از فناوری CRISPR-Cas9 پنج ژن rbcS در گیاه برنج را بهصورت تصادفی هدف قرار داده و مجموعهای از گیاهان جهشیافته (ناکاوت) تولید کردند. نتیجه این بود که حذف ژنهای RbcS فعال در بافتهای فتوسنتزی، باعث کاهش رشد، تأخیر در گلدهی، کاهش عملکرد و افت قابلتوجه فتوسنتز شد. در گیاهان جهشیافته، تعداد کلروپلاستها و ذخیره قند هم کاهش یافته بود. با این حال، ساختار کلی آنزیم RuBisCO تغییری نکرده بود، که نشان میدهد کاهش عملکرد بیشتر به دلیل افت فعالیت آنزیمی بوده تا اختلال ساختاری.
نتایج این مطالعه نشان میدهد که ژنهای RbcS نقش کلیدی در تنظیم عملکرد RuBisCO دارند و اصلاح هدفمند آنها میتواند به توسعه گیاهانی با کارایی فتوسنتزی بالاتر کمک کند. این استراتژی میتواند گامی موثر در جهت افزایش عملکرد محصولات کشاورزی و تولید پایدار غذا در آینده باشد.
در این پژوهش، دانشمندان با استفاده از تکنولوژی ویرایش ژن CRISPR-Cas9، ژنهایی را که مربوط به زیرواحد کوچک آنزیم RuBisCO در برنج هستند (به نام ژنهای OsrbcS) ویرایش کردند تا بررسی کنند این ژنها چه نقشی در رشد، فتوسنتز و عملکرد گیاه برنج دارند.
آنزیم RuBisCO نقش اصلی را در فتوسنتز و تثبیت CO₂ دارد، و عملکرد بهتر آن میتواند رشد گیاه و تولید محصول را افزایش دهد.
وقتی برخی از این ژنها را حذف کردند، مشاهده شد که:
رشد گیاه کندتر شد
عملکرد فتوسنتز کاهش یافت
ارتفاع و پنجهزنی گیاه کم شد
گلدهی دیرتر اتفاق افتاد
مشخص شد که ژنهای OsrbcS2 و OsrbcS3 نقش بسیار مهمتری نسبت به بقیه دارند، و حذف همزمان این دو ژن بیشترین اثر منفی را دارد.
از سوی دیگر، بیان زیاد این ژنها باعث افزایش فعالیت RuBisCO و رشد بهتر شد، که نشان میدهد میتوان از آنها برای بهبود عملکرد گیاه استفاده کرد.
همچنین، رابطهی کاهش RuBisCO با اختلال در سیگنالدهی قند و هورمونها دیده شد که روی فرآیندهایی مثل پنجهزنی و گلدهی هم تأثیر گذاشت.
در بررسی دقیقتر ساختار پروتئینی، متوجه شدند که بعضی جهشها در نواحی خاصی از پروتئین (مثل Glu85) روی عملکرد RuBisCO اثر دارند، ولی ساختار کلی آن را خیلی تغییر نمیدهند.
نتیجهگیری
این مطالعه نشان داد که ویرایش چندگانه ژنهای rbcS میتواند راهی نوآورانه برای بهبود فتوسنتز و عملکرد گیاهان باشد، ولی باید با دقت بالا و دانش دقیق انجام شود. استفاده از ابزارهایی مانند یادگیری ماشین و ویرایش پلاستیدی میتواند آیندهی بهینهسازی RuBisCO را در محصولات زراعی متحول کند.
منبع : Genetic engineering of RuBisCO by multiplex CRISPR editing small subunits in