تحقيق زيادة كفاءة التمثيل الضوئي
الدراسات والأبحاث

كانت الدراسة الرئيسية التي قام على أساسها مشروع تحقيق زيادة كفاءة التمثيل الضوئي، والتي نُشرت في مجلة العلوم، تهدف إلى إثبات أنه يمكن تحسين عملية التمثيل الضوئي في النباتات لزيادة إنتاجية المحاصيل الزراعية. وصفت صحيفة الغارديان البريطانية هذا الاكتشاف بأنه أحد أهم 12 انجازاً علمياً حدث في عام 2016.
تحدد نماذج المحاكاة الحاسوبية استراتيجيات لتحسين الآليات الأساسية التي تعتمد عليها عملية التمثيل الضوئي وزيادة الإنتاجية. يقوم الباحثون بالهندسة الوراثية للنباتات النموذجية التي خضعت للاختبار في بيئات محكومة مثل غرف الإنماء والصوبات الزراعية. تُختبر بعد ذلك التحولات الناجحة من خلال تجارب ميدانية عشوائية متكررة، ثم تُترجم في النهاية التحولات ذات الزيادات الإنتاجية المهمة إحصائيًا إلى المحاصيل الغذائية المستهدفة للمشروع. وقد يتم أحياناً الجمع بين أكثر من طريقة لزيادة إنتاجية المحاصيل بشكل إضافي. يضمن الوصول العالمي للمشروع أن يكون المزارعين أصحاب الحيازات الصغيرة قادرين على استيعاب واستخدام الملكية الفكرية للمشروع.
| استراتيجيات الدراسة | الوصف |
| --- | --- |
نمذجة التمثيل الضوئي: مع الزيادة المطردة في تقنيات الحوسة عالية الأداء أصبح من الممكن محاكاة عملية التمثيل الضوئي في النماذج الديناميكية التي يتم فيها تمثيل كل من التفاعلات المقترنة بشكل كامل، مما يوفر تمثيلًا حاسوبياً واقعياً للعملية بأكملها باستخدام نظام من المعادلات التفاضلية المرتبطة. طورت عمليات المحاكاة الحاسوبية للعمليات النباتية تصورات واقعية لمظلات أوراق المحاصيل يمكنها التنبؤ بشكل أكثر دقة بديناميكيات المناخ المحلي للمحاصيل، وتوزيع الطاقة الضوئية خلال التمثيل الضوئي. يمكن الآن دمج هذين النوعين من المحاكاة في نظام نمذجة واحد قوي.
تنظيم الحماية الضوئية: تحمي النباتات نفسها من التلف الناتج عن التعرض للضوء العالي عن طريق تبديد الطاقة الضوئية الزائدة وإطلاقها في صورة حرارة. تستمر عملية الحماية هذه حتى عندما تكون ورقة النبات مظللة بسحابة أو بورقة أخرى مما يحد من التمثيل الضوئي. حدد مشروع تحقيق زيادة كفاءة التمثيل الضوئي الجينات التي تسرع هذا التأثير وعزز تنظيمها، مما أدى إلى زيادة الإنتاجية بنسبة تراوحت ما بين 14٪ -20٪ في تجارب ميدانية متكررة.
تحسين التنفس الضوئي: يقع إنزيم روبيسكو بانتظام في خطأ التفاعل مع الأكسجين بدلاً من ثاني أكسيد الكربون، ومن ثم يقوم النبات بإعادة تدوير المواد الكيميائية الناتجة إلى خط الإنتاج، مما يؤدي إلى إهدار الطاقة من خلال عملية تسمى التنفس الضوئي. وقد لوحظ أن بعض البكتيريا تقوم بإعادة تدوير هذه المواد الكيميائية بشكل أكثر كفاءة. ويعمل مشروع تحقيق زيادة كفاءة التمثيل الضوئي على هندسة هذه المسارات الأكثر كفاءة في المحاصيل، ولقد صمم علماء مشروع تحقيق زيادة كفاءة التمثيل الضوئي بالفعل في دراسة تاريخية لهم مسارات تنفسية ضوئية أدت إلى زيادة الإنتاجية بنسبة وصلت إلى 40%.
إعادة تكوين الإنزيمات: تعتبر دورة كلفن جزءاً أساسياً من عملية التمثيل الضوئي، وهي عملية متعددة الخطوات تهدف إلى تجديد جزيء متقبل ثاني أكسيد الكربون الذي يستخدمه إنزيم روبيسكو لإنتاج السكر الذي يغذي نمو النبات. وتعتمد كل خطوة في هذه الدورة على محفزات البروتين المعروفة بالإنزيمات. يعمل مشروع تحقيق زيادة كفاءة التمثيل الضوئي على تحسين كمية كل إنزيم بحيث تصبح عملية التمثيل الضوئي بأكملها أكثر كفاءة..
تحسين إنزيمات الروبيسكو: أجرى مشروع تحقيق زيادة كفاءة التمثيل الضوئي مسجاً لمجموعة واسعة من النباتات والطحالب للعثور على أشكال أسرع من إنزيم روبيسكو وأقل عرضة لخلط الأكسجين مع ثاني أكسيد الكربون. يعمل المشروع الآن على هندسة المحاصيل باستخدام هذه الأشكال الأفضل أداءً من إنزيم روبيسكو أو تعديل الصورة الحالية من إنزيم روبيسكو لكي يطابق هذه الأشكال الأكثر كفاءة.
تحسين وصول الضوء إلى الأوراق بشكل متساو: تظلل طبقات أوراق المحاصيل بعضها البعض، إلا أن الأوراق العلوية تتلقى ضوءًا أكثر مما يمكنها استخدامه بينما الأوراق السفلية تظل جائعة للضوء. يمكن من خلال تغيير لون وزاوية هذه الأوراق توزيع الضوء بشكل متساوٍ في جميع أنحاء المظلة لزيادة نشاط التمثيل الضوئي في جميع أنحاء النبات.
آليات الطحالب: يحفز إنزيم روبيسكو استخراج غاز ثاني أكسيد الكربون من الهواء وتحويله إلى سكر لتغذية نمو النبات، ولكنه مقيد بمدى إمداد ثاني أكسيد الكربون. يمكن باستخدام آليات من الطحالب هندسة النباتات لضخ مزيد من غاز ثاني أكسيد الكربون إلى إنزيم روبيسكو لتعزيز عملية التمثيل الضوئي.
موصلية النسيج المتوسط: تقيس موصلية النسيج المتوسط مدى سهولة انتشار ثاني أكسيد الكربون عبر الورقة للوصول إلى إنزيم روبيسكو. يقوم مشروع تحقيق زيادة كفاءة التمثيل الضوئي بتعديل المسارات لمساعدة ثاني أكسيد الكربون على السريان في غشاء الخلية، والسيتوبلازم، ومغلف البلاستيدات الخضراء، وثغور البلاستيدات الخضراء للوصول إلى إنزيم روبيسكو.
تطوير الترجمة: بعد أن تم تأكيد التعديلات الوراثية من التعبير الجيني إلى إنتاج البروتينات المستهدفة، ثم النمط الظاهري في البيوت الزجاجية والصوبات الزراعية واختبارها في تجارب ميدانية مكررة. تبدأ بمجرد إثبات نجاح إحدى السمات المهمة الأكثر صعوبة والتي تستغرق وقتًا طويلاً لتحويل المحاصيل الغذائية الأساسية مثل فول الصويا والكسافا واللوبيا والأرز.
: