معلومة

هل يمكن تعديل نبات سنوي وراثيًا ليكون معمرًا؟


يعود الثوم المعمر ، والهليون ، والأوريغانو ، والراوند كل عام كالساعة. لنفترض أنني أريد أن ينضم ملفي الصيني إلى الحفلة - هل هناك رسالة "سأراك العام المقبل!" الجين الذي يمكن تعديله ليتم تشغيله ليكون مثل الثوم المعمر الخاص بي ، أم أنه أكثر تعقيدًا من ذلك؟


توصل الباحثون في جامعة جنت إلى اكتشاف أن تقليل تنظيم البروتينات CONSTANS 1 (SOC1) و FRUITFULL (FUL) يؤدي إلى تطوير العديد من السمات المعمرة في النباتات السنوية (في الدراسة) نبات الأرابيدوبسيس thaliana يستخدم) (مرجع).

يتحكم جين CONSTANS في الإزهار نبات الأرابيدوبسيس thaliana (المرجعي).

FRUITFULL (FUL) هو جين صندوق MADS يعمل مبكرًا في التحكم في وقت الإزهار ، وهوية المريستيم وتشكل أوراق الكولين ، ولاحقًا في تطور الكاربيل والفاكهة في نبات الأرابيدوبسيس thaliana (المرجعي).

هذه العملية معقدة وستحتاج إلى معالجة العديد من الجينات ، لكن هذا البحث يثبت أنه ممكن. مقال آخر مهم.


قوة الزهرة: التعديل الجيني يمكن أن يعزز قدرة النباتات على التقاط الكربون والطاقة الحيوية

تلخص مراجعة جديدة خيارات زيادة عزل الكربون العالمي عن طريق النباتات وتتوقع أن المحاصيل والأشجار المهندسة وراثيًا يمكن أن تعزز العملية ، وتحبس جيغاتون من غازات الاحتباس الحراري بالإضافة إلى زيادة إنتاج الطاقة الحيوية

تضيف الأنشطة البشرية حاليًا حوالي تسعة جيجا طن من الكربون إلى الغلاف الجوي سنويًا. تمتص كائنات التمثيل الضوئي الموجودة على اليابسة وفي المحيط حوالي خمسة جيغاتون من خلال الامتصاص الطبيعي لثاني أكسيد الكربون ، تاركًا للإنسان مهمة التعامل مع الباقي. ولكن بغض النظر عن كمية الكربون الموجودة ، فإن احتجازه ومنعه من العودة إلى الغلاف الجوي يمثل تحديًا هندسيًا هائلاً ، حتى أن أفضل التقنيات الحالية هي أقل فعالية من التمثيل الضوئي في احتجاز الكربون في الغلاف الجوي.

نشر تحليل جديد في عدد أكتوبر من العلوم البيولوجية يقترح أنه بحلول عام 2050 ، يمكن للبشر تعويض ما بين خمسة وثمانية جيجا طن من الكربون المنبعث سنويًا عن طريق زراعة النباتات والأشجار المحسّنة عبر الهندسة الوراثية لإنتاج الوقود وعزل الكربون.

تمثل محاصيل الطاقة الحيوية فرصة للتخفيف من ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي بطريقتين منفصلتين ، كما يقول المؤلف الرئيسي كريستر جانسون ، كبير العلماء في قسم علوم الأرض بمختبر لورانس بيركلي الوطني. أولاً ، إنها مصدر طاقة خالٍ من الكربون يمكن أن يعوض احتراق الوقود الأحفوري. ثانيًا ، إذا كانت النباتات من النوع الصحيح ، فلديها فرصة لنقل الكثير من الكربون تحت الأرض من أجل عزل طويل الأمد ، كما يقول.

تمتص النباتات ثاني أكسيد الكربون وتخزن الكربون في كتلتها الحيوية. يمكن أن يبقى الكربون لعقود أو قرون في الأوراق والسيقان والأغصان والبذور والأزهار فوق الأرض ، في حين أن الكربون المخصص لأنظمة الجذور تحت الأرض يكون أكثر ملاءمة للانتقال إلى التربة ، حيث يمكن أن يبقى محبوسًا لآلاف السنين. لذلك ، فإن مصنعًا مثاليًا للطاقة الحيوية من شأنه أن ينتج الكثير من الكتلة الحيوية فوق الأرض للوقود بالإضافة إلى نظام جذر واسع النطاق. تشير الأبحاث الأولية إلى أنه يمكن استخدام مناهج الهندسة الوراثية لتعزيز هاتين السمتين.

يقول ستيفن بي لونج ، أستاذ علوم المحاصيل في جامعة إلينوي في أوربانا ، والذي لم يكن جزءًا من الدراسة ، إن استخدام التعديل الجيني لتعزيز عملية التمثيل الضوئي وبالتالي إنتاج الكتلة الحيوية هو نهج واقعي. يلاحظ لونغ أن نباتات التبغ المعدلة وراثيًا ، مع تعديلات بسيطة تنطبق على النباتات الأخرى أيضًا ، قد أثبتت بالفعل أنها أكثر إنتاجية. "نحن الآن في وضع حيث نعرف بالتأكيد ما يكفي حيث يمكننا هندسة عدد غير قليل من هذه التغييرات ،" كما يقول.

وفي الوقت نفسه ، فيما يتعلق بمشكلة إقناع النباتات بتخصيص المزيد من الكربون لأنظمتها الجذرية ، يقول Jansson إن الاختلاف المهم بين النباتات المعمرة والنباتات السنوية هو مكان جيد للبدء. & quot؛ تعتبر النباتات المعمرة أكثر كفاءة من الحولية في إخفاء الكربون تحت الأرض ، & quot؛ كما يقول. ذلك لأن الحولية ، التي تشكل معظم المحاصيل الغذائية في العالم ، تنفق طاقة أكبر بكثير في إنتاج البذور والسيقان والأوراق مقارنة ببناء نظم الجذور الخاصة بها. من ناحية أخرى ، فإن النباتات المعمرة مثل Switchgrass و ميسكانثوس لديها أنظمة جذر أكثر شمولاً و mdashn الضرورية لأنها تظل كامنة لجزء من العام ثم يجب أن تنمو مرة أخرى من جذورها.

في حين أنه قد يكون من المثير تخيل طاقة حيوية أو محصولًا غذائيًا ينتج الكثير من الكتلة الحيوية فوق الأرض وله أنظمة جذر كبيرة لعزل الكربون ، فإن البحث حول ما إذا كان هذا الهدف واقعيًا لا يزال في مراحله المبكرة. يقول يانسون إن & quot الأعمار هي سمة معقدة. يقترح أنه قد يكون من الأسهل تعديل النباتات المعمرة بحيث تمتلك ميزات تشبه سنويًا مرغوبًا ، على عكس الطريقة الأخرى ولكن من السابق لأوانه معرفة ذلك.

على المدى القصير ، يثق Jansson من أن العلم يمكنه تعديل النباتات بحيث تكون أكثر مقاومة للجفاف وتتحمل الملح. المحاصيل التي يمكن الحفاظ عليها بالمياه المالحة أو قليلة الملوحة ، مثل مياه الصرف الصناعي أو مياه البحر ، ستساعد في الحفاظ على إمدادات المياه العذبة. & quot هذه سمات مهمة يجب إدخالها في محاصيل الغذاء والطاقة الحيوية ، & quot

يشدد المؤلفون على أنه لا ينبغي النظر إلى الهندسة الوراثية على أنها علاج شامل ، بل جزء من جهد تكاثر أكبر. علاوة على ذلك ، يقول Jansson ، & quot؛ تتمثل إحدى المشكلات في أن الجوانب المختلفة التي نذكرها & amp ؛ زيادة البناء الضوئي ، وتحسين إنتاجية محصول الطاقة الحيوية ، ووضع المزيد من الكربون في أنظمة الجذر & mdashare مترابطة للغاية ، وبالتالي ليس بالضرورة مادة مضافة. & quot لزراعة المزيد من الجذور يزيل إنتاج الكتلة الحيوية فوق سطح الأرض. مرة أخرى ، يعد البحث في هذا المجال أولًا من أن نقول.

كما أعربت أليسون طومسون ، التي تدرس تغير المناخ واستخدام الأراضي في المعهد المشترك لأبحاث التغير العالمي في كوليدج بارك بولاية ماريلاند ، عن الحاجة إلى توخي الحذر عند تفسير توقعات الدراسة. إنها ذات قيمة من حيث المبدأ ، كما تقول ، ولكنها تستند أيضًا إلى العديد من الافتراضات المتعلقة بالظروف الاقتصادية المستقبلية ، وتوافر الأراضي ، وحجم دور الطاقة الحيوية في استراتيجية طاقة مستقبلية أكبر. على سبيل المثال ، كما تقول ، "لا يمكنك حقًا تحديد مقدار الطاقة الحيوية التي سنستخدمها إذا كنت لا تفكر أيضًا في مصادر الطاقة الأخرى المتاحة ومقدار انبعاثها." علاوة على ذلك ، تشير إلى ما إذا كان هناك سعر أم لا بالنسبة للكربون ، الذي يصعب حسابه في هذه المرحلة ، سيظهر بشكل كبير في سيناريوهات الطاقة المستقبلية.

من المهم أيضًا مراعاة قضايا استخدام الأراضي المحتملة المتعلقة بزيادة الطلب على الغذاء. & quot؛ عندما نقوم بالنمذجة ، هذا هو المطلب الوحيد الذي لا يمكنك تجاهله ، & quot؛ يقول طومسون. & quot الناس يريدون أن يأكلوا قبل أن يرغبوا في الطاقة الحيوية. & quot

بالإضافة إلى كل الأشياء المجهولة ، هناك أيضًا سياسة تنظيمية قائمة فيما يتعلق بالكائنات المعدلة وراثيًا ، والتي تفرض تكاليف عالية للامتثال ، مما يجعل من الصعب تقييم ما إذا كانت الأفكار التي تمت مناقشتها في الورقة كلها قابلة للتنفيذ ، كما يقول لونج: "عنق الزجاجة والمثبط في كل هذا" هو حقًا ، "كيف تحصل على الجينات المعدلة وراثيًا وتفي بجميع المتطلبات والتكاليف التنظيمية؟" & quot


سياسات عدم التسامح بشأن الكائنات المعدلة وراثيًا & # 8220 التلوث & # 8221 تضر بالمزارعين العضويين والتقليدي على حد سواء

قبل عام 2010 ، كان ستيف مارش ومايكل باكستر مجرد أصدقاء وجيران يزرعون بالقرب من كوجونوب ، غرب أستراليا. ولكن في عام 2010 ، قررت باكستر زراعة نبات الكانولا المعدلة وراثيًا. كان مارش مزارعًا عضويًا. لم يمض وقت طويل قبل أن يرفع مارش دعوى قضائية ضد باكستر بشأن التلقيح المتبادل - ما زعم مارش والمجتمع العضوي في أستراليا أنه "تلوث" بمحصوله.

رفضت المحكمة ادعاءات Marsh & # 8217s ، مؤكدة أن Marsh لم يكن ضحية من قبل Baxter ولكن من خلال القواعد الصارمة التي وضعتها المنظمة العضوية & # 8217s التي وافق عليها طواعية.

إذا نجح الجيران في الزراعة جنبًا إلى جنب في الماضي ، فلماذا لا يمكن لمزرعة مارش العضوية أن تتعايش مع محاصيل باكستر المعدلة وراثيًا؟ بعد كل شيء ، يحدث تدفق الجينات في جميع المحاصيل - سواء كانت معدلة وراثيًا أم لا - ولا تعتبر بشكل عام مشكلة ما لم يتم زراعة المحصول للبذور وليس للاستهلاك.

لكن الصناعة العضوية في أستراليا ، التي تنظمها الرابطة الوطنية للزراعة المستدامة (ناسا) ، لديها سياسة عدم التسامح مطلقًا مع أي وجود للبذور المعدلة وراثيًا. من ناحية أخرى ، لا تقوم وزارة الزراعة الأمريكية بإلغاء المصادقة تلقائيًا على المنتجين العضويين إذا تبين أن تدفق الجينات قد حدث من محصول الكائنات المعدلة وراثيًا في الجار.

لدى الاتحاد الأوروبي عتبة 0.9 في المائة لوجود محتوى الكائنات المعدلة وراثيًا التي لا يزال من الممكن تصنيفها على أنها عضوية.

جادل ميغيل أ. ألتيري ، أستاذ الإيكولوجيا الزراعية في جامعة كاليفورنيا ، بيركلي ، بأن المحاصيل المعدلة وراثيًا لا تتوافق مع الإيكولوجيا الزراعية ، المظلة العلمية الأكبر التي تشمل ممارسات الزراعة العضوية. كتب أن المحاصيل المعدلة وراثيًا تقلل من التنوع البيولوجي وتزيد من التكثيف الزراعي وتهدد نقاء المنتجات العضوية:

ما لم يتم الإعلان عن مناطق بأكملها خالية من الزراعة المعدلة وراثيًا ، فسيكون من المستحيل تطوير أنظمة زراعية متميزة (معدلة وراثيًا وغير معدلة وراثيًا) حيث تظهر الزراعة المعدلة وراثيًا على حساب جميع أشكال الإنتاج الأخرى.

تناول بيتر رافين ، الرئيس الفخري لحديقة ميسوري النباتية وأحد كبار المدافعين عن التنوع البيولوجي ، ما يقول إنه أسطورة مفادها أن التكنولوجيا المعدلة وراثيًا والإيكولوجيا الزراعية تتعارض بالضرورة:

باختصار ، لا يحد تطبيق التكنولوجيا المعدلة وراثيًا في تحسين المحاصيل ، في حد ذاته ، من التنوع العام للمحاصيل ، في حين أن تطوير الزراعة الحديثة ، حيث تُزرع سلالات معينة محددة وراثيًا في مناطق واسعة وسلالات أخرى كانت المزروعة محليا في وقت سابق قد تختفي ، لا. يعد الحفاظ على التنوع الجيني في المحاصيل أمرًا مهمًا وذو فائدة عامة ، لكن ظهور المحاصيل المعدلة وراثيًا لم يسبب المشكلة أو أدى إلى انتشارها.

وأوضح أن تأثير الكائنات المعدلة وراثيًا على التنوع البيولوجي كان "محايدًا تمامًا". وبدلاً من ذلك ، شدد على تأثير الزراعة الحديثة ، التي تزرع نفس المحصول على مساحات شاسعة من الأرض. تتمتع الزراعة الأقل كثافة في الحقول الأصغر بمزيد من التنوع البيولوجي داخل تلك المنطقة.

ومع ذلك ، قال إن التكنولوجيا المنفصلة عن الزراعة الحديثة تحمل بعض الأمل في تحسين التنوع البيولوجي. يمكن للإنتاجية العالية الممكنة مع الكائنات المعدلة وراثيًا أن تفيد التنوع البيولوجي من خلال قصر إنتاج المحاصيل على قطع أراضي أصغر. بالإضافة إلى ذلك ، تم العثور على الحقول المزروعة بمحاصيل Bt ، والتي أدت بشكل عام إلى استخدام أقل لمبيدات الآفات ، تحتوي على اللافقاريات أكثر من تلك المزروعة بمحاصيل غير معدلة وراثيًا.

ومع ذلك ، أكد ألتيري أن التعايش هو أسطورة لأن حركة الجينات المحورة تكاد تكون مؤكدة. وقال: "من غير المحتمل أن تتراجع الجينات المحورة بمجرد هروبها ، وبالتالي فإن الضرر الذي يلحق بنقاء البذور غير المعدلة وراثيًا يكون دائمًا".

ومع ذلك ، يقترح Raven أن التمييز بين البذور العضوية "النقية" والبذور المعدلة وراثيًا غير صحيح ، قائلاً إن كل الزراعة "غير طبيعية". وقال إن تدفق الجينات موجود منذ أن بدأ البشر في زراعة النباتات ، وقد أدى التهجين بين المحاصيل وأقاربهم البرية أو العشبية إلى المزيد من المحاصيل المرغوب فيها. وضرب مثلا:

... في أصل الذرة (زيا ميس) ، التهجين العكسي المتكرر واختيار النباتات ذات الخصائص المحسنة من الأقارب البرية ... سهّل تجميع خصائص الذرة الحديثة على مدى فترة ربما تصل إلى 7000 عام في جنوب المكسيك ... تنوع السلالات المحلية ، والأجناس البرية ، والذرة في المكسيك و في مكان آخر له علاقة كبيرة بإعادة تركيب هذه الميزات بعد التهجين من النوع الذي تمت مناقشته.

اقترح رافين أن إزالة الحاجز بين الكائنات العضوية والكائنات المعدلة وراثيًا في وزارة الزراعة الأمريكية من شأنه في الواقع تسريع الصفات المرغوبة في المحاصيل ، والتي ستكون مفضلة لأولئك الذين يدافعون عن الزراعة المستدامة.

وأوضح كذلك أن نقل الجينات يحدث بشكل مختلف للأنواع المختلفة. بالنسبة للجوز أو الصنوبر أو الذرة أو الذرة الرفيعة ، تنقل الرياح حبوب اللقاح ، مما يزيد من المسافة التي يمكن أن تختلط فيها الجينات. بالنسبة للقمح والشعير وفول الصويا ذاتية التلقيح ، تحمل الرياح كمية صغيرة فقط من حبوب اللقاح. بالنسبة للأنواع الأخرى ، مثل أشجار الفاكهة والتوت والكانولا ، تحمل الحشرات حبوب اللقاح من زهرة إلى زهرة ، لذلك يعتمد تدفق الجينات على طبيعة الحشرة الملقحة.

انجراف المبيدات الحشرية أمر لا مفر منه. في الواقع ، 10 في المائة إلى 35 في المائة من مبيد الآفات المطبق مع معدات التطبيق الأرضية يخطئ المنطقة المستهدفة بالطائرات ، و 50 في المائة إلى 75 في المائة من المبيد المطبق يخطئ المنطقة المستهدفة. من الواضح أن الضرر الناجم عن الانجراف والتعرض البشري والتلوث الواسع النطاق متأصل في عملية تطبيق مبيدات الآفات ويكشف حقيقة أن الزراعة التقليدية لا تتوافق مع الزراعة العضوية.

ومع ذلك ، فمن الناحية التاريخية ، تعايشت أنواع مختلفة من الممارسات الزراعية حيث عمل المزارعون ببساطة مع جيرانهم لتقليل التأثير. هناك ممارسات للحد من التلقيح المتبادل. على سبيل المثال ، يمكن للمزارعين المجاورين ذوي الأساليب المختلفة ممارسة الفصل المكاني للحقول أو مواعيد الزراعة المتدرجة أو زراعة الأصناف غير المتوافقة جنسياً.

بالطبع ، الأمر معقد لأن انجراف مبيدات الآفات وحركة الجينات المحورة من خلال التلقيح المتبادل أمر ممكن ويمكن أن يهدد الشهادات العضوية أو القبول للبيع في المناطق التي تنفر من الكائنات المعدلة وراثيًا ، مثل أوروبا أو آسيا.

لكن الوضع في أستراليا مختلف لأن سياسة عدم التسامح التي تتبعها وكالة ناسا تعاقب مزارعي المنتجات العضوية على أي وجود للنباتات المعدلة وراثيًا في مزارعهم.

انفجرت بعض أنواع الكانولا المقاومة للغليفوسات من باكستر في مزرعة مارش. لا يقوم مارش بتربية أي محاصيل قريبة من نبات الكانولا ، لذلك لم يحدث تهجين. ومع ذلك ، فإن ثمانية من نباتات الكانولا قد نبتت وأزيلت لاحقًا. على الرغم من الافتقار الواضح للضرر الفعلي ، قامت وكالة ناسا بسحب شهادة أرض مارش لمدة ثلاث سنوات.

رفع مارش دعوى قضائية ضد باكستر لخسارة القيمة لأنه لم يستطع بيع محاصيله على أنها عضوية. كما طلب منع شركة باكستر من زراعة أي محاصيل معدلة وراثيًا في المستقبل.

في مايو الماضي ، خلصت المحكمة العليا لغرب أستراليا إلى أن باكستر لم يرتكب أي خطأ وأن الخسائر التي تكبدها مارش كانت بسبب سياسة عدم التسامح المطلق لدى ناسا. واستأنف مارش الحكم ، وسينظر في مارس آذار.

قال ماثيو كوسي ، الرئيس التنفيذي لشركة CropLife Australia ، إن القرار كان "انتصارًا للفطرة السليمة ويؤكد التقليد الطويل الأمد للتعايش بين جميع أساليب الزراعة."

لكن وكالة ناسا ما زالت تعتقد أن سياستها مسؤولة. إنه يمنح المستهلكين - خاصة أولئك الذين يعملون في اليابان والصين وكوريا المضادة للكائنات المعدلة وراثيًا - الثقة في أن المنتج العضوي الأسترالي خالٍ من الكائنات المعدلة وراثيًا بنسبة 100٪. بل إنه يؤكد كذلك أن الزراعة العضوية يجب أن يحميها القانون.

لم تكن هذه القضية قد رفعت في الولايات المتحدة. لا يحتوي برنامج العضوية التابع لوزارة الزراعة الأمريكية على حد معين لوجود الكائنات المعدلة وراثيًا في الأغذية العضوية كما أنه ليس سياسة عدم التسامح مع بقايا مبيدات الآفات. في صميم الموضوع في أستراليا وبلدان أخرى ، تكمن رواية "التلوث" المضللة التي أوجدتها سياسات عدم التسامح المطلق. إذا تم العثور على الكائنات المعدلة وراثيًا في المزارع العضوية في الولايات المتحدة ، طالما لم يتم العثور على أنها متعمدة ، فسيقوم وكيل التصديق ببساطة بالتحقيق في كيفية حدوث التلقيح المتبادل وتقديم اقتراحات لمنعه في المستقبل.

خلافات أخرى تدور حول التعايش في جميع أنحاء الولايات المتحدة. يضغط معارضو المحاصيل المعدلة وراثيًا من أجل طرق قانونية لتقييد الكائنات المعدلة وراثيًا وسط مخاوف من التلقيح المتبادل مع المحاصيل غير المعدلة وراثيًا أو المحاصيل العضوية من بين أشياء أخرى. في السنوات الأخيرة ، حاول الحظر على المقاطعات خنق زراعة المحاصيل المعدلة وراثيًا. لقد قاومت الدول والأفراد قوانين الحق في المزرعة.

في ولاية أوريغون ، أصدرت مقاطعة جاكسون حظرًا على زراعة المحاصيل المعدلة وراثيًا في مايو 2014. ويتحدى مزارعو البرسيم المعدلة وراثيًا شرعية هذا الحظر استنادًا إلى قانون الولاية "الحق في المزرعة". البرسيم هو محصول معمر يبلغ عمره 10 سنوات ، لذلك بموجب الحظر ، تزعم مزارع شولتز العائلية وجيمس ومارلين فرينك أنهم سيخسرون 4.2 مليون دولار إذا مزقوا محاصيلهم هذا الربيع.

في العام الماضي ، استخدم المشرعون في ولاية هاواي استراتيجية مماثلة من خلال إدخال تعديلات على قانون الحق في المزرعة من أجل منع فرض حظر على زراعة المحاصيل المعدلة وراثيًا في بلد هاواي. لكن في نوفمبر / تشرين الثاني ، حكم قاضٍ فيدرالي بأن الحظر غير قانوني. من المرجح أن يظهر مشروع القانون هذا العام.

بدأت الإيكولوجيا الزراعية ، التي تدافع عن الممارسات العضوية ، في تسمية نفسها بأنها حركة اجتماعية. ومع ذلك ، فإن الإيكولوجيا الزراعية الصارمة مثل التييري تتعارض مع أحد المبادئ الرئيسية للحركة: حقوق المزارعين.

& # 8220Agroecology هو أكثر من مجرد علم ، إنه & # 8217s أيضًا حركة اجتماعية من أجل العدالة تعترف وتحترم حق مجتمعات المزارعين في تقرير ما يزرعونه وكيف يزرعونه ، "قال ميندي شنايدر ، الأستاذ المساعد في الزراعة ، دراسات الغذاء والبيئة في معهد الدراسات الاجتماعية (ISS) في لاهاي.

السؤال هو: هل تحتاج المجتمعات إلى الاتفاق على نوع واحد من الزراعة أم أنها توافق على التعايش؟ يمكن لحقوق كل من يريد لزراعة المحاصيل المعدلة وراثيا ومن يختار العضوية يجب أن يحترم؟ هل يمكن تشجيع تعاونهم بقواعد أفضل؟

ريبيكا راندال صحفية تركز على العلاقات الدولية وقضايا الغذاء العالمية. اتبعها beccawrites.


موسوعة مشروع الجنين

في عام 2003 ، أنتجت كارمينا جيسبرت وفريقها البحثي نبتة تبغ يمكنها إزالة الرصاص من التربة أكثر من نباتات التبغ العادية. للقيام بذلك ، قاموا بإدخال جين من نباتات القمح التي تنتج سينثاس فيتوكيلاتين في نبات شجيرة التبغ (نيكوتيانا جلوكا) لارتفاع ن. جلاوكاامتصاص وتحمل المعادن السامة ، وخاصة الرصاص. تهدف Gisbert وفريقها إلى تعديل نبات وراثيًا بحيث يمكن استخدامه في المعالجة النباتية - باستخدام النباتات لإزالة المواد السامة من التربة. حدد العلماء المعالجة النباتية كعملية فعالة وكفؤة لتحسين صحة الإنسان والصحة الإنجابية في المناطق الملوثة. يمكن أن تسبب المعادن مثل الزئبق والرصاص تشوهات خلقية أثناء النمو البشري مثل الضعف الإدراكي والشلل الدماغي والصمم والرعشة والعمى.

ضم فريق البحث من فالنسيا بإسبانيا روك روس وأنطونيو دي هارو وديفيد جيه ووكر وإم. بيلار بيرنال ورامون سيرانو وخوان نافارو أفينو. كان موقع هؤلاء الباحثين في Consejo Superior de Investigaciones Científicas (المجلس الوطني الإسباني للبحوث) وجامعة فالنسيا في فالنسيا ، إسبانيا. نشرت كارمينا وزملاؤها نتائج تجربتهم في "نبتة معدلة وراثيًا تتراكم الرصاص واعدة بشكل خاص للمعالجة النباتية" في عام 2003. كان الهدف من التجربة هو تحديد وتعديل جيني نبات ينمو بسرعة ويتحمل نطاقًا واسعًا من في البيئات ، وتراكمت تركيزات عالية من المعادن السامة مثل الرصاص (الرصاص) والكادميوم (الكادميوم) من التربة التي نمت فيها. في هذه التجربة ، أظهر الباحثون ذلك ن. جلاوكا، معدل وراثيًا لإنتاج سينسيز فيتوكلاتين ، تراكم المزيد من الرصاص في جذوره ، وكان أيضًا أكثر تحملاً للكادميوم ، من غير المعدل ن. جلاوكا.

كانت الخطوة الأولى من التجربة هي اختيار نوع نباتي يمكنه تحمل وتراكم المعادن السامة لإزالتها من التربة. المعالجات النباتية - نباتات يمكنها امتصاص المعادن السامة - تنمو ببطء وتنتج كميات صغيرة من الأوراق والجذور (الكتلة الحيوية للنبات). وفقًا للباحثين ، يجب أن ينمو المعالج النباتي المثالي بسرعة ، وينتج الكثير من الكتلة الحيوية ، ويتراكم ويتحمل المعادن ، كما يجب أن ينتج كمية كبيرة من الأوراق غير المستساغة لردع الحيوانات العاشبة عن تناولها. ستمنع هذه السمة انتقال المعادن الثقيلة من الحيوانات إلى البشر.

أجرت جيسبرت وزملاؤها أبحاثهم على عينة من التربة كانت شديدة التلوث بالنفايات الصناعية الخطرة التي تم جمعها من موقع التعدين La Union في مقاطعة مورسيا ، في الجزء الجنوبي الشرقي من إسبانيا. لقد جمعوا أنواعًا نباتية من هذا الموقع الملوث ، واختاروا بعضها لمزيد من الدراسات. ركزت جيسبرت وفريقها على ن. جلاوكا وصنفها على أنها مفرطة التكدس ، مما يعني أنه يمكن أن تتراكم مستويات عالية من المعادن السامة في كتلتها الحيوية. نمت في مناطق تشمل أوروبا وأستراليا وأمريكا الجنوبية والشمالية ، لاحظ الباحثون ذلك ن. جلاوكا لها قيمة تجارية وزخرفية محتملة كمعالج نباتي.

في الخطوة التالية من التجربة ، استخدم الباحثون تقنيات البيولوجيا الجزيئية لإدخال جين القمح TaPCS1، والتي أنتجت سينسيز فيتوكلات ، إلى ن. جلاوكا النباتات. إنزيم Phytochelate synthase هو إنزيم يرتبط بالعناصر المعدنية ، ويوجد في مجموعة متنوعة من الأنواع النباتية. في عام 1999 ، أدخلت مجموعة من الباحثين جينًا جينًا سينسيز فيتوكلات من القمح (TaPCS1 الجين) في الخميرة وأظهر أنه يتسبب في تراكم الكادميوم في الخميرة. أدخلت جيسبرت وزملاؤها جين القمح فيه ن. جلاوكا النباتات. أصيب الفريق ن. جلاوكا يترك مع أغروباكتريوم توميفاسيانز السلالة التي تحتوي على الحمض النووي لسينثيز فيتوكلات. أغروباكتريوم توميفاسيانز هي نوع من البكتيريا يمكنها نقل الحمض النووي بينها وبين النباتات. ثم قام العلماء بعزل الخلايا من المصابين ن. جلاوكا الأوراق ، نمت الأنسجة في مجموعة متنوعة من الوسائط والظروف ، واستخدمت ذرية من هذا النبات لاختبار ما إذا كان TaPCS1 تم إدخال الجين بنجاح في نبات التبغ ، وسواء لم يكن oe فإنه ينتج إنزيم phytochelate synthase.

في الخطوة الأخيرة من التجربة ، أجرى الفريق مجموعتين من التجارب لاختبار قدرة النباتات المعدلة على امتصاص المعادن السامة وتجميعها وتحملها. اختبر الفريق الشتلات المعدلة وغير المعدلة (النوع البري) على أطباق مغذية ، بعضها ملوث بمركبات الرصاص والكادميوم ، لمدة تسعة أيام. قام الفريق أيضًا بزراعة نباتات برية معدلة (ناضجة) عمرها 10 أيام في تخفيف بنسبة 50 في المائة من التربة الملوثة لمدة ستة أسابيع. لقد جمعوا عينات من التربة شديدة التلوث لتحليلها من المناطق الحضرية في فالنسيا ومن أحد أكثر المواقع تلوثًا ، وهو موقع منجم قديم للرصاص والزنك في لا يونيون. احتوت عينة التربة على تركيز إجمالي من 31000 إلى 25000 جزء في المليون وأكثر من 10000 جزء في المليون من الرصاص والزنك على التوالي ، وهو ما تجاوز بشكل كبير المستويات القصوى المسموح بها للتربة الزراعية في أوروبا. في كلتا التجربتين ، جمع الباحثون النباتات في نهاية الفترة الزمنية ، وقسموها إلى الجذور والأوراق بالإضافة إلى الساق (البراعم) ، وقاسوا أوزانهم. بعد التخلص من التربة وغسل المادة ، قاموا بتجفيف وتحليل الجذور والبراعم بحثًا عن المعادن الثقيلة باستخدام مقياس الامتصاص الذري ، وهي تقنية تستخدم لقياس كميات الرصاص والكادميوم في النباتات. ووجدوا أن النباتات المعدلة وراثيًا تمتص حوالي ضعف كمية الرصاص مقارنة بالنباتات غير المعدلة.


كيف يستخدم العلماء كريسبر لإنتاج محاصيل غير معدلة وراثيًا

الائتمان: مجلة UP

زيادة غلة المحاصيل من خلال التربية التقليدية للنباتات غير فعالة - النتائج لا يمكن التنبؤ بها ويمكن أن يستغرق الأمر من سنوات إلى عقود لإنشاء سلالة جديدة. من ناحية أخرى ، يمكن لتقنيات النباتات القوية المعدلة وراثيًا أن تسفر بسرعة عن أنواع نباتية جديدة ، لكن اعتمادها كان مثيراً للجدل. رفض العديد من المستهلكين والبلدان الأطعمة المعدلة وراثيًا على الرغم من أن الدراسات المكثفة أثبتت أنها آمنة للاستهلاك.

ولكن الآن ، قد تقدم تقنية جديدة لتحرير الجينوم تُعرف باسم CRISPR بديلاً جيدًا.

أنا متخصص في علم الوراثة النباتية وأحد أهم أولوياتي هو تطوير أدوات لهندسة نباتات خشبية مثل أشجار الحمضيات التي يمكنها مقاومة مرض التخضير ، Huanglongbing (HLB) ، الذي دمر هذه الأشجار في جميع أنحاء العالم. تم اكتشافه لأول مرة في فلوريدا في عام 2005 ، وقد أدى المرض إلى تدمير محصول الحمضيات في الولاية البالغ 9 مليارات دولار أمريكي ، مما أدى إلى انخفاض بنسبة 75 في المائة في إنتاج البرتقال في عام 2017. ولأن أشجار الحمضيات تستغرق من 5 إلى 10 سنوات قبل أن تنتج الفاكهة ، فإن تقنيتنا الجديدة - والتي تم ترشيحه من قبل العديد من رؤساء التحرير كأحد الأساليب الرائدة لعام 2017 التي لديها القدرة على تغيير العالم - قد تسرع من تطوير أشجار الحمضيات غير المعدلة وراثيًا والمقاومة لـ HLB.

أصاب مرض تخضير الحمضيات التنين الأصفر HLB البساتين في فلوريدا وحول العالم مما أدى إلى تدمير محاصيل الحمضيات. رصيد الصورة: Edgloris Marys / shutterstock.com

تعديل الجينات المعدلة وراثيا

قد تتساءل لماذا لا تعتبر النباتات التي نصنعها باستخدام تقنية تحرير الحمض النووي الجديدة الخاصة بنا كائنات معدلة وراثيًا؟ إنه سؤال جيد.

تشير المعدلة وراثيًا إلى النباتات والحيوانات التي تم تغييرها بطريقة لم تكن لتظهر بشكل طبيعي من خلال التطور. من الأمثلة الواضحة جدًا على ذلك نقل الجين من نوع إلى آخر لمنح الكائن الحي سمة جديدة - مثل مقاومة الآفات أو تحمل الجفاف.

لكن في عملنا ، لا نقوم بقطع ولصق الجينات من الحيوانات أو البكتيريا في النباتات. نحن نستخدم تقنيات تعديل الجينوم لإدخال سمات نباتية جديدة من خلال إعادة كتابة الشفرة الوراثية للنباتات مباشرة.

هذا أسرع وأكثر دقة من التربية التقليدية ، وهو أقل إثارة للجدل من تقنيات الكائنات المعدلة وراثيًا ، ويمكن أن يحلق سنوات أو حتى عقودًا من الوقت الذي يستغرقه تطوير أنواع محاصيل جديدة للمزارعين.

هناك أيضًا حافز آخر لاختيار استخدام التحرير الجيني لإنشاء المحاصيل المصممة. في 28 آذار (مارس) 2018 ، أعلن وزير الزراعة الأمريكي ، سوني بيرديو ، أن وزارة الزراعة الأمريكية لن تنظم أنواعًا نباتية جديدة تم تطويرها باستخدام تقنيات جديدة مثل تعديل الجينوم الذي ينتج عنه نباتات لا يمكن تمييزها عن تلك التي تم تطويرها من خلال طرق التربية التقليدية. على النقيض من ذلك ، فإن النبات الذي يحتوي على جين أو جينات من كائن حي آخر ، مثل البكتيريا ، يعتبر من الكائنات المعدلة وراثيًا. هذا سبب آخر يجعل العديد من الباحثين والشركات يفضلون استخدام تقنية كريسبر في الزراعة كلما كان ذلك ممكنًا.

تغيير مخطط النبات

تُعرف أداة تحرير الجينات التي نستخدمها باسم CRISPR - والتي تعني "التكرارات المتناظرة القصيرة المنتظمة المتباعدة بشكل منتظم" - وقد تم تكييفها من أنظمة الدفاع للبكتيريا. تم تعديل أنظمة كريسبر البكتيرية حتى يتمكن العلماء مثلي من تعديل الحمض النووي للنباتات والحيوانات والخلايا البشرية والكائنات الحية الدقيقة. يمكن استخدام هذه التكنولوجيا بعدة طرق ، بما في ذلك تصحيح الأخطاء الجينية لدى البشر التي تسبب الأمراض ، وهندسة الحيوانات المرباة لأبحاث الأمراض ، وإنشاء اختلافات جينية جديدة يمكن أن تسرع من تحسين المحاصيل.

يي لي يتفقد النباتات المعدلة بتقنية CRISPR في مختبره. رصيد الصورة: Xiaojing Wang، CC BY-SA

لاستخدام تقنية كريسبر لإدخال سمة مفيدة في نبات المحاصيل ، نحتاج إلى معرفة الجينات التي تتحكم في سمة معينة. على سبيل المثال ، كشفت الدراسات السابقة أن هرمون نباتي طبيعي يسمى gibberellin ضروري لارتفاع النبات. يتحكم جين GA20-ox في كمية الجبرلين المنتجة في النباتات. لإنشاء سلالة من عشب الحشائش "منخفض التردد" ، على سبيل المثال ، نقوم بتحرير الحمض النووي - تغيير تسلسل الحمض النووي الذي يتكون من الجين - لهذا النبات لتقليل إنتاج جين GA20-ox في العشب المحدد عشب. مع انخفاض نسبة الجبريلين ، لن ينمو العشب بنفس الارتفاع ولن يحتاج إلى القص كثيرًا.

تم اشتقاق نظام كريسبر من البكتيريا. ويتكون من جزأين: Cas9 ، وهو بروتين صغير يقص الحمض النووي ، وجزيء RNA يعمل كقالب لتشفير السمة الجديدة في الحمض النووي للنبات.

لاستخدام تقنية CRISPR في النباتات ، يتمثل النهج القياسي في إدخال جينات CRISPR التي ترمز "آلات التحرير" CRISPR-Cas9 في الحمض النووي للخلية النباتية. عندما يكون الجين CRISPR-Cas9 نشطًا ، فإنه سيحدد ويعيد كتابة القسم ذي الصلة من جينوم النبات ، مما يخلق السمة الجديدة.

لكن هذا هو الالتقاط 22. لأنه لإجراء تحرير الحمض النووي باستخدام CRISPR / Cas9 ، عليك أولاً تغيير النبات وراثيًا باستخدام جينات كريسبر الأجنبية - وهذا من شأنه أن يجعله كائنًا معدلاً وراثيًا.

استراتيجية جديدة للمحاصيل غير المعدلة وراثيا

بالنسبة لنباتات المحاصيل السنوية مثل الذرة والأرز والطماطم التي تكمل دورات حياتها من الإنبات إلى إنتاج البذور في غضون عام واحد ، يمكن إزالة جينات كريسبر بسهولة من النباتات المعدلة. ذلك لأن بعض البذور التي تنتجها هذه النباتات لا تحمل جينات كريسبر ، فقط الصفات الجديدة.

لكن هذه المشكلة أصعب بكثير بالنسبة لنباتات المحاصيل المعمرة التي تتطلب ما يصل إلى 10 سنوات للوصول إلى مرحلة إنتاج الزهور والبذور. سيستغرق انتظار البذور الخالية من جينات كريسبر وقتًا طويلاً.

طور فريقي في جامعة كونيتيكت ومعاوني في جامعة نانجينغ الزراعية ، وأكاديمية جيانغسو للعلوم الزراعية ، وجامعة فلوريدا ، وجامعة هونان الزراعية ، وجامعة كاليفورنيا - سان دييغو ، مؤخرًا أسلوبًا جديدًا ومريحًا لاستخدام تقنية كريسبر لخلق ما هو مرغوب فيه بشكل موثوق الصفات في نباتات المحاصيل دون إدخال أي جينات بكتيرية غريبة.


مخطط للهندسة الوراثية المرجان الفائق

يستغرق بناء الشعاب المرجانية آلاف السنين ، ومع ذلك يمكن أن تتلاشى في لحظة.

المحتوى ذو الصلة

عادة ما يكون السبب هو & # 160 ابيضاض المرجان ، وهو مرض يتفاقم بسبب ارتفاع درجة حرارة المياه & # 160 الذي يهدد اليوم الشعاب المرجانية في جميع أنحاء العالم. أسوأ حدث تبيض مسجل & # 160 ضرب جنوب المحيط الهادئ بين عامي 2014 و 2016 ، عندما ارتفعت درجات حرارة المحيط تلاه تدفق مفاجئ لمياه El Ni الدافئة & # 241o التي أصابت بالصدمة & # 160t the Great Barrier Reef. & # 160 في موسم واحد فقط & # 160 ، قضت عملية التبييض على ما يقرب من ربع النظام البيئي الشامل & # 160 ، الذي امتد في السابق إلى ما يقرب من 150.000 ميل مربع عبر بحر المرجان. & # 160

& # 8220 على الرغم من كونها مروعة ، فإن حدث التبييض كان بمثابة دعوة للاستيقاظ ، & # 8221 تقول راشيل ليفين ، عالمة الأحياء الجزيئية التي اقترحت مؤخرًا تقنية جريئة لإنقاذ هذه النظم البيئية الرئيسية. نشرت فكرتها في المجلة الحدود في علم الأحياء الدقيقة، بسيط: & # 160 بدلاً من العثور على متكافلين صحيين & # 160 لإعادة ملء المرجان المبيض في الطبيعة ، قم بهندستها في المختبر بدلاً من ذلك. مياه.

لكن ليفين يجادل بأنه مع نفاد الوقت بالنسبة للشعاب المرجانية في جميع أنحاء العالم ، فإن القيمة المحتملة قد تستحق المخاطرة & # 160.

درس ليفين علم صيدلة السرطان عندما كان طالبًا جامعيًا ، لكنه أصبح مفتونًا بالتهديدات التي تواجه الحياة المائية أثناء مشاركته في دورات العلوم البحرية. لقد أدهشتها حقيقة أنه ، على عكس أبحاث الأمراض البشرية ، كان هناك عدد أقل بكثير من الباحثين الذين يقاتلون لاستعادة صحة المحيطات. بعد تخرجها ، انتقلت من كاليفورنيا إلى سيدني بأستراليا لمتابعة الدكتوراه. في مركز الابتكار الحيوي البحري بجامعة نيو ساوث ويلز ، على أمل تطبيق خبرتها في أبحاث الأمراض البشرية على الشعاب المرجانية. & # 160

In medicine , it often takes the threat of a serious disease for researchers to try a new and controversial treatment (i.e. merging two womens’ healthy eggs with one man’s sperm to make a “three-parent baby” ). The same holds in environmental science — to an extent. “Like a terrible disease [in] humans, when people realize how dire the situation is becoming researchers start trying to propose much more,” Levin says.  When it comes to saving the environment, however, there are fewer advocates willing to implement risky, groundbreaking techniques. 

When it comes to reefs—crucial marine regions that harbor an astonishing amount of diversity as well as protect land masses from storm surges, floods and erosion— that hesitation could be fatal. 

Coral bleaching  is often presented as the death of coral, which is a little misleading. Actually, it’s the breakdown of the symbiotic union that enables a coral to thrive. The coral animal itself is like a building developer who constructs the scaffolding of a high rise apartment complex. The developer rents out each of the billions of rooms to single-celled, photosynthetic microbes called Symbiodinium.

But in this case, in exchange for a safe place to live, Symbiodinium makes food for the coral using photosynthesis. A bleached coral, by contrast, is like a deserted building. With no tenants to make their meals, the coral eventually dies.     

Though bleaching can be deadly, it’s actually a clever evolutionary strategy of the coral. ال Symbiodinium are expected to uphold their end of the bargain. But when the water gets too warm, they stop photosynthesizing. When that food goes scarce, the coral sends an eviction notice. “It’s like having a bad tenant—you’re going to get rid of what you have and see if you can find better,” Levin says. 

But as the oceans continue to warm, it’s harder and harder to find good tenants. That means evictions can be risky. In a warming ocean, the coral animal might die before it can find any better renters—a scenario that has decimated reef ecosystems around the planet. 

Levin wanted to solve this problem, by creating a straightforward recipe for building a super-symbiont that could repopulate bleached corals and help them to persist through climate change—essentially, the perfect tenants. But she had to start small. At the time, “there were so many holes and gaps that prevented us from going forward,” she says. “All I wanted to do was show that we could genetically engineer [Symbiodinium].”

Even that would prove to be a tall order. The first challenge was that, despite being a single-celled organism, Symbiodinium has an unwieldy genome. Usually symbiotic organisms have streamlined genomes, since they rely on their hosts for most of their needs. Yet while other species have genomes of around 2 million base pairs, Symbiodinium’s genome is 3 orders of magnitude larger.

“They’re humongous,” Levin says. In fact, the entire human genome is only slightly less than 3 times as big as Symbiodinium’s. 

Even after advances in DNA sequencing made deciphering these genomes possible, scientists still had no idea what 80 percent of the genes were for. “We needed to backtrack and piece together which gene was doing what in this organism,” Levin says. A member of a group of phytoplankton called dinoflagellates, Symbiodinium are incredibly diverse. Levin turned her attention to two key Symbiodinium strains she could grow in her lab. 

The first strain, like most Symbiodinium, was vulnerable to the high temperatures that cause coral bleaching. Turn up the heat dial a few notches, and this critter was toast. But the other strain, which had been isolated from the rare corals that live in the warmest environments, seemed to be impervious to heat. If she could figure out how these two strains wielded their genes during bleaching conditions, then she might find the genetic keys to engineering a new super-strain. 

When Levin turned up the heat, she saw that the hardy Symbiodinium escalated its production of antioxidants and heat shock proteins, which help repair cellular damage caused by heat. Unsurprisingly, the normal Symbiodinium didn’t. Levin then turned her attention to figuring out a way to insert more copies of these crucial heat tolerating genes into the weaker Symbiodinium, thereby creating a strain adapted to live with corals from temperate regions—but with the tools to survive warming oceans. 

Getting new DNA into a dinoflagellate cell is no easy task. While tiny, these cells are protected by armored plates, two cell membranes, and a cell wall. “You can get through if you push hard enough,” Levin says. But then again, you might end up killing the cells. So Levin solicited help from an unlikely collaborator: a virus. After all, viruses “have evolved to be able to put their genes into their host’s genome—that’s how they survive and reproduce,” she says. 

Levin isolated a virus that infected Symbiodinium, and molecularly altered it it so that it no longer killed the cells. Instead, she engineered it to be a benign delivery system for those heat tolerating genes. In her paper, Levin argues that the virus’s payload could use CRISPR, the breakthrough gene editing technique that relies on a natural process used by bacteria, to cut and paste those extra genes into a region of the Symbiodinium’s genome where they would be highly expressed. 

It sounds straightforward enough. But messing with a living ecosystem is never simple, says says Dustin Kemp, professor of biology at the University of Alabama at Birmingham who studies the ecological impacts of climate change on coral reefs. “I’m very much in favor of these solutions to conserve and genetically help,” says Kemp. But “rebuilding reefs that have taken thousands of years to form is going to be a very daunting task.”

Considering the staggering diversity of the Symbiodinium strains that live within just one coral species, even if there was a robust system for genetic modification, Kemp wonders if it would ever be possible to engineer enough different super-Symbiodinium to restore that diversity. “If you clear cut an old growth forest and then go out and plant a few pine trees, is that really saving or rebuilding the forest?” asks Kemp, who was not involved with the study. 

But Kemp agrees that reefs are dying at an alarming rate, too fast for the natural evolution of Symbiodinium to keep up. “If corals were rapidly evolving to handle [warming waters], you’d think we would have seen it by now,” he says. 

Thomas Mock, a marine microbiologist at the University of East Anglia in the UK and a pioneer in genetically modifying phytoplankton, also points out that dinoflagellate biology is still largely enshrouded in mystery. “To me this is messing around,” he says. “But this is how it starts usually. Provocative argument is always good—it’s very very challenging, but let’s get started somewhere and see what we can achieve.” Recently, CSIRO, the Australian government’s science division, has announced that it will fund laboratories to continue researching genetic modifications in coral symbionts.

When it comes to human health—for instance, protecting humans from devastating diseases like malaria or Zika—scientists have been willing to try more drastic techniques, such as releasing mosquitoes genetically programmed to pass on lethal genes. The genetic modifications needed to save corals, Levin argues, would not be nearly as extreme. She adds that much more controlled lab testing is required before genetically modified Symbiodinium could be released into the environment to repopulate dying corals reefs. 

“When we’re talking ‘genetically engineered,’ we’re not significantly altering these species,” she says. “We’re not making hugely mutant things. All we’re trying to do is give them an extra copy of a gene they already have to help them out . we’re not trying to be crazy scientists.”

About Kyle Frischkorn

Kyle Frischkorn is a graduate student in oceanography at Columbia University, and a 2017 AAAS Mass Media fellow at Smithsonian Magazine. In between being in the lab, on a boat, or in a lab on a boat, he’s written about science for GQ, Lucky Peach, Eater, Scientific American and Atlas Obscura.


Could GMO’s Help Prevent Food Shortages?


With the world population expected to double by 2050, food security will continue to be an increasingly complicated and important issue. More food will be needed to feed more people and, to preserve vital biodiversity sites, we’ll need to produce this additional food using land already devoted to agriculture. While there are many factors that could improve agricultural efficiency, genetically modified crops hold the most potential. Many scientists now believe that transgenic plants could help prevent or minimize future food shortages.

Transgenic plants are those that possess an inserted portion of DNA either from a different member of their own species or from an entirely different species. The inserted DNA serves some special purpose, such as allowing the plant to produce natural insecticides. Once the genes are transferred, they can be passed on to offspring through simple fertilization, allowing farmers to breed advantageous traits in their plants. Transgenic plants have proven extremely profitable in the developed world, accounting for a 5% to 10% increase in productivity, and reducing the cost of herbicides and insecticides.

Such methods could effectively increase productivity in the developing world, where a surge in food production is sorely needed. Developing countries, especially those in the tropics and subtropics, suffer severe crop losses due to pests, diseases, and poor soil conditions. In addition, a lack of financial capital often prevents farmers from investing in high quality seeds, insecticides, and fertilizers. Poor post-harvest conditions such as inadequate storage facilities and thriving fungi and insect populations also fuel crop loss. Currently, pests destroy over half the world’s crop production. Transgenic plants could provide an innovative solution.

Fortunately, bioengineering solutions can be easily adapted from one species to another, allowing one advancement in plant biotechnology to quickly produce many more. For example, insect-resistant strains of several important plant species have been produced using one specific endotoxin. Commercial production of insect-resistant maize, potato, and cotton has already begun. Plant bioengineers hope to use similar technology to create fruits that ripen more slowly, allowing for longer shelf lives and less post-harvest crop loss.

It is important to note that this technology has mostly been established with the developed world in mind. Therefore, adapting it for use in the developing world must be done carefully. For instance, many crops grown in the developing world are local varieties and have not been extensively tested thus far by plant bioengineers. Blindly replacing local crops with bioengineered varieties from the developed world could disturb deep social or religious traditions that are represented in the widely varied cultures in the developing world. Additionally, societies are more likely to embrace a familiar crop than a foreign one. Research and development in bioengineering must, therefore, adapt to include the crops of the developing world.

Although the globe produces enough food for everyone, people everywhere continue to die of starvation. With this unequal distribution in mind, it is imperative that, moving forward, small farmers in the developing world receive the same access to plant biotechnology given to large agribusinesses in the developed world. First-world corporations cannot be granted even more unfair advantages over small landholders in poorer nations, especially as global populations grow and food security becomes ever more scarce and important. As this technology is developed, it is up to us to share it with the developing world in order to minimize severe food shortages in the years to come.


Genetically altered plants, algae and trees could sequester carbon

Our authors have a range of perspectives on the topic. They include some (Christer Jansson and colleagues, and Steven H. Strauss and his coauthors) who are pursuing the prospects for genetically engineered trees that might one day contribute to amelioration of global warming—if they can meet safety requirements for testing. Richard Sayre outlines the possibilities for cultivating algae as biofuel feedstock. Others (Robert B. Jackson and Justin S. Baker, and Rattan Lal) analyze the big-picture ecological and economic constraints on expanding sequestration in forests and in soil generally through agriculture. Emily Boyd discusses societal understanding of the choices that large-scale enhanced biological carbon sequestration would necessarily bring, and considers how they could play into economic development.

Genetically Altered Trees and Plants Could Help Counter Global Warming Forests of genetically altered trees and other plants could sequester several billion tons of carbon from the atmosphere each year and so help ameliorate global warming. Researchers at Lawrence Berkeley National Laboratory and Oak Ridge National Laboratory, outlines a variety of strategies for augmenting the processes that plants use to sequester carbon dioxide from the air and convert it into long-lived forms of carbon, first in vegetation and ultimately in soil. Besides increasing the efficiency of plants’ absorption of light, researchers might be able to genetically alter plants so they send more carbon into their roots—where some may be converted into soil carbon and remain out of circulation for centuries. Other possibilities include altering plants so that they can better withstand the stresses of growing on marginal land, and so that they yield improved bioenergy and food crops.

Photosynthetic assimilation of atmospheric carbon dioxide by land plants offers the underpinnings for terrestrial carbon (C) sequestration. A proportion of the C captured in plant biomass is partitioned to roots, where it enters the pools of soil organic C and soil inorganic C and can be sequestered for millennia. Bioenergy crops serve the dual role of providing biofuel that offsets fossil-fuel greenhouse gas (GHG) emissions and sequestering C in the soil through extensive root systems. Carbon captured in plant biomass can also contribute to C sequestration through the deliberate addition of biochar to soil, wood burial, or the use of durable plant products. Increasing our understanding of plant, microbial, and soil biology, and harnessing the benefits of traditional genetics and genetic engineering, will help us fully realize the GHG mitigation potential of phytosequestration.


The complete list of peer-reviewed articles in the October 2010 issue of BioScience is as follows:

The total C stock (i.e., organic and inorganic C) in terrestrial systems is estimated to be around 3170 gigatons (GT 1 GT 5 1 petagram 5 1 billion metric tons )—2500 GT in the soil and 560 GT and 110 GT in plant and microbial biomass, respectively. Total C in the oceans is 38,000 GT . The soil C pool, which is 3.3 times the size of the atmospheric C pool of 760 GT, includes about 1550 GT of soil organic carbon (SOC) and 950 GT of soil inorganic carbon (SIC) (Lal 2004, 2008a). Of the C present in the world’s biota,99.9% is contributed by vegetation and microbial biomass animals constitute a negligible C reservoir. The annual fluxes of C between the atmosphere and land, and atmosphere and oceans, are 123 and 92 GT, respectively. Therefore, 123 GT represents the photosynthetic C uptake, or the gross primary productivity (GPP), of the global terrestrial system. Approximately 60 GT of the GPP captured by plants through photosynthesis is returned to the atmosphere almost immediately through plant respiration. The remaining amount is the net primary productivity (NPP).

There is growing recognition that microalgae are among the most productive biological systems for generating biomass and capturing carbon. Further efficiencies are gained by harvesting 100% of the biomass, much more than is possible in terrestrial biomass production systems. Micro-algae’s ability to transport bicarbonate into cells makes them well suited to capture carbon. Carbon dioxide— or bicarbonate-capturing efficiencies as high as 90% have been reported in open ponds. The scale of microalgal production facilities necessary to capture carbon-dioxide (CO2) emissions from stationary point sources such as power stations and cement kilns is also manageable thus, microalgae can potentially be exploited for CO2 capture and sequestration. In this article, I discuss possible strategies using microalgae to sequester CO2 with reduced environmental consequences.

If you liked this article, please give it a quick review on رديت، أو StumbleUpon. شكرا

Supporting Advertising

Brian Wang is a Futurist Thought Leader and a popular Science blogger with 1 million readers per month. His blog Nextbigfuture.com is ranked #1 Science News Blog. It covers many disruptive technology and trends including Space, Robotics, Artificial Intelligence, Medicine, Anti-aging Biotechnology, and Nanotechnology.

Known for identifying cutting edge technologies, he is currently a Co-Founder of a startup and fundraiser for high potential early-stage companies. He is the Head of Research for Allocations for deep technology investments and an Angel Investor at Space Angels.

A frequent speaker at corporations, he has been a TEDx speaker, a Singularity University speaker and guest at numerous interviews for radio and podcasts. He is open to public speaking and advising engagements.


Helping the environment

One of the most significant crop management improvements in recent times has been the increasingly common practice of sowing seeds by direct drilling them into the stubble of the previous season’s crop. This approach forgoes a massive amount of soil tillage with the plough. Such minimum-tillage or no-tillage farming means that much less diesel oil is used in tractors and carbon levels can buildup in the soil rather than be released to the atmosphere.
It’s been estimated that the carbon emission savings from introduction of genetically engineered crops that encourage no-till farming are equivalent to removing 19.4 bn kilogram of carbon dioxide from the atmosphere worldwide. This is equal to the carbon emissions savings from removing 8.6 million cars from the road for one year.
Minimal tillage farming also has several other benefits, such as better moisture retention in the soil and reduction in soil erosion.

Genetically modified insect protected cotton on the left, next to a closely related conventional cotton variety on the right which is showing the damage from heavy insect feeding pressure. Greg Kauter, Courtesy of Australian Cotton Growers Research Association Inc, Narrabri, NSW.
Modern crop genetic engineering has provided farmers with much better crop variety options for use in no-till farming. One of these is crops that are tolerant of the herbicide glyphosate. This is the most widely used types of GM crop. Glyphosate-tolerant crops include soya beans, canola, cotton and maize. Glyphosate has much lower environmental impact than chemicals such atrazine, which it replaces. Unlike atrazine, which is banned in the European Union, glyphosate is relatively rapidly degraded in the soil and does not easily leach into water run-off to river basins.


Did you hear the story about the GMO that almost destroyed the world?

Once upon a time, way back in 1990, a German company modified the genetics of a bacterium so it could efficiently ferment plant waste, turning the material into ethanol. There was, the story goes, just one problem: the bacteria, Klebsiella planticola, “almost killed the world with booze,” according to an article on Cracked.

Earth Island Journal took a less sarcastic tack, quoting retired genetics professor and now environmental activist David Suzuki:

Geneticist David Suzuki understands that what took place was truly ominous. “The genetically engineered Klebsiella,” he says, “could have ended all plant life on this continent. The implications of this single case are nothing short of terrifying.”

This story has become an occasionally arising myth, with articles that appear every few years bolstering anti-GMO activists’ views that anything transgenic or otherwise modified is at least bad for your health, bad for the environment, or perhaps fatal.

Now, in the wake of a new federal law mandating labeling food containing GMOs, the myth has returned.

According to an Op-Ed in Truth-Out.com, which expressed disappointment in the new law as well as shock at the discovery of unapproved GM wheat in a Washington field, these two events illustrated the hazards of genetic modification. According to the Truth-Out writers, these events:

Should set off some alarm bells, because we’ve dodged a similar bullet before with Klebsiella planticola, a soil bacteria that aggressively grows on plants’ roots.

In the early 1990s, a European genetic engineering company was preparing to field test its genetically modified version of Klebsiella planticola, which it had tested in the lab and presumed to be safe. But if it weren’t for the work of a team of independent scientists led by Dr. Elaine Ingham, that company could have literally killed every terrestrial plant on the planet.

A turn of events

So, what did happen? Scientists and engineers have been spending decades looking at new ways to handle plant waste, which can become rich material for soil amendments, or can be fermented into other chemicals, including ethanol, and turned into biofuels. In fact, the Klebsiella planticola bacterium (which is now called Raoultella planticola after scientists re-examined the members of كليبسيلا), has been studied for its ability to create ethanol from decaying plant material.

As the story goes, a German company received U.S. Environmental Protection Agency permission to conduct field trials on the amended bacterium, called SDF20, which had a plasmid (a short loop of DNA) inserted into its genome. This plasmid contained a gene for an enzyme, pyruvate decarboxylase that allowed SDF20 to ferment plant waste to ethanol.

This trial caught the attention of Elaine Ingham, a Green Party member who was then a scientist on the faculty of Oregon State University. In testimony to the New Zealand Royal Commission on Genetic Engineering, Ingham said her graduate student, Michael Holmes, “discovered that the engineered bacterium, Klebsiella planticola, with an additional alcohol gene, killed all the wheat plants in microcosms into which the engineered organisms were added.”

The engineered bacterium produces far beyond the required amount of alcohol per gram soil than required to kill any terrestrial plant. This could have been the single most devastating impact on human beings since we should likely have lost corn, wheat, barley, vegetable crops, trees, bushes, etc., conceivably all terrestrial plants.

To back this up, she cited a paper co-written with Holmes, published in 1999 in Applied Soil Ecology. The news of this was picked up the Green Party members of the European Parliament, and a number of other activists who touted how the discovery underscored the grave planetary danger of GMOs.

The Greens rescue world from GMOs?

According to a very recent article in Organics.org, the Green Party activists and scientists saved us all in the nick of time:

This new miracle GMO had all the necessary approvals to be commercialized and it was going to be. However, a team of independent scientists led by Dr. Elaine Ingham remained skeptical and luckily so. They discovered after some testing what the bacteria is actually capable of doing and after exposing the results the gene-altered bacteria was never commercialized. If not for their efforts, there is no doubt that this would have ended the world.

Scientists call shenanigans on GMO doomsday plant

But problems with her and Holmes’ story began. In a rebuttal to Ingham’s testimony, Christian Walter, with Forest Research Institute in Rotorua, New Zealand, Michael Berridge, of the Malaghan Institute of Medical Research in Wellington, and David Tribe, of the University of Melbourne, Australia, wrote that:

  • The paper she and Holmes wrote with their results actually doesn’t exist (the volume and page numbers were false, and no other citation can be found).
  • Another paper, also by Holmes, Ingham and other colleagues, was cited later (after the rebuttal was published), but this paper reviewed the growth of spring wheat in poor, sandy soil that had been inoculated with the SDF20 strain of K. planticola. Not anything resembling grounds for worldwide plant Armageddon.
  • There was no evidence from the EPA or the US Department of Agriculture that any field trials for SDF20 were ever approved.
  • The SDF20 produced about 20 micrograms per milliliter of alcohol in the soil. “This concentration is several hundred times lower than that required to affect plant growth (10 milligrams per milliliter),” they wrote.

Dr Ingham’s assertions have been published widely on the Internet and elsewhere. However, we have been unable to find any evidence that Dr Ingham has submitted her assertions about threats to terrestrial plant life to scientific publication in a peer-reviewed journal.

Our own literature search and resulting evidence further demonstrates that natural alcohol producing varieties of Klebsiella planticola already exist, and are routinely found in nature however, no adverse consequences of this alcohol production on any organisms including plants have been observed.

In fact, the studies on K. planticola (R. planticola today), showed that the new strain could not survive in poor soil, which probably wrote a death sentence not for the world, but for the commercial viability of a modified form of R. planticola.

As for Dr. Ingham, who went from Oregon State to the Rodale Institute and now runs a soil management consulting company called SoilFoodWeb, she and the Green Party apologized to the New Zealand Royal Commission:

The Green Party incorrectly cited a paper that is has since discovered…does not exist.

There are no records indicating that field testing approval was ever given.

The Green Party would like to request that the commission disregard the final sentence in paragraph 30, recognize that this statement goes beyond the published literature. (This was Ingham’s assertion that SDF20 would kill all plant life on earth).

I was incorrect in stating that the specifically genetically engineered Klebsiella planticola I was talking about had been approved for field trials and was going to be released.

I would like to make clear that the possibility of destruction of terrestrial plants that I referred to as an outcome of releasing this organism is an extrapolation from the laboratory evidence. It is one possible scenario. There are other possible scenarios which could occur we need more data to be able to make a clear judgement on the most likely outcome.

Any data would have been nice. And today, we still have plants. And GMOs. And alcohol.

Andrew Porterfield is a writer and editor, and has worked with numerous academic institutions, companies and non-profits in the life sciences. BIO. Follow him on Twitter @AMPorterfield

This article originally ran on the GLP August 11, 2017.

The GLP featured this article to reflect the diversity of news, opinion and analysis. The viewpoint is the author’s own. The GLP’s goal is to stimulate constructive discourse on challenging science issues.


شاهد الفيديو: اسباب و علاج احتراق أطراف أوراق النباتات, Reasons and treatment of Burning edges of plant leaves (كانون الثاني 2022).