วิศวกรรมชีวภาพ: การสังเคราะห์ด้วยแสงที่ดีขึ้นช่วยเพิ่มผลผลิตในพืชอาหาร

ผลลัพธ์ขนาดนี้ไม่สามารถมาในช่วงเวลาที่สำคัญกว่านี้ได้ รายงานล่าสุดขององค์การสหประชาชาติ เรื่อง The State of Food Security and Nutrition in the World 2022 พบว่าในปี 2021 เกือบ 10% ของประชากรโลกหิวโหย ซึ่งเป็นสถานการณ์ที่เลวร้ายลงอย่างต่อเนื่องในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา สุขภาพระดับโลกในระดับ จากข้อมูลของยูนิเซฟ ภายในปี 2573 คาดว่าผู้คนกว่า 660 ล้านคนจะเผชิญกับภาวะขาดแคลนอาหารและภาวะทุพโภชนาการ สาเหตุหลักสองประการคือห่วงโซ่อุปทานอาหารที่ไม่มีประสิทธิภาพ (การเข้าถึงอาหาร) และสภาพการปลูกพืชที่รุนแรงขึ้นเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ การปรับปรุงการเข้าถึงอาหารและการปรับปรุงความยั่งยืนของพืชอาหารในพื้นที่ยากจนเป็นเป้าหมายสำคัญของการศึกษานี้และโครงการ RIPE ตระหนักถึงประสิทธิภาพการสังเคราะห์แสงที่เพิ่มขึ้น หรือ RIPE เป็นโครงการวิจัยระหว่างประเทศที่มีเป้าหมายเพื่อเพิ่มการผลิตอาหารทั่วโลกโดยการปรับปรุงประสิทธิภาพการสังเคราะห์แสงในพืชอาหารสำหรับเกษตรกรรายย่อยในแอฟริกาตอนใต้โดยได้รับการสนับสนุนจากมูลนิธิ Bill & Melinda Gates Foundation for Food & Agriculture สำนักงานวิจัยและต่างประเทศสหราชอาณาจักรและสำนักงานเครือจักรภพและการพัฒนา Amanda De Souza นักวิทยาศาสตร์การวิจัยโครงการ RIPE และผู้เขียนนำกล่าวว่า "จำนวนผู้ที่ได้รับผลกระทบจากภาวะอาหารไม่เพียงพอยังคงเพิ่มขึ้น และการคาดการณ์แสดงให้เห็นอย่างชัดเจนว่าจำเป็นต้องเปลี่ยนระดับการจัดหาอาหารเพื่อเปลี่ยนเส้นทาง" "การวิจัยของเราแสดงให้เห็นวิธีที่มีประสิทธิภาพในการสนับสนุนความมั่นคงด้านอาหารสำหรับผู้ที่ต้องการอาหารมากที่สุดในขณะที่หลีกเลี่ยงการใช้ที่ดินในการผลิตมากขึ้น การปรับปรุงการสังเคราะห์ด้วยแสงเป็นโอกาสสำคัญในการได้รับศักยภาพในการให้ผลผลิตที่จำเป็น" การสังเคราะห์ด้วยแสงเป็นกระบวนการทางธรรมชาติที่พืชใช้ในการเปลี่ยนแสงแดดเป็นพลังงานและให้ผลผลิต เป็นกระบวนการกว่า 100 ขั้นตอนที่ไม่มีประสิทธิภาพอย่างน่าประหลาดใจ ซึ่งนักวิจัยของ RIPE ได้ทำงานเพื่อปรับปรุงมานานกว่าทศวรรษ ในงานชิ้นแรกนี้ซึ่งตีพิมพ์เมื่อเร็วๆ นี้ในScienceกลุ่มได้ปรับปรุงโครงสร้าง VPZ ภายในต้นถั่วเหลืองเพื่อปรับปรุงการสังเคราะห์ด้วยแสง จากนั้นจึงทำการทดลองภาคสนามเพื่อดูว่าผลผลิตจะดีขึ้นหรือไม่ โครงสร้าง VPZ ประกอบด้วยยีนสามตัวที่เป็นรหัสสำหรับโปรตีนของวัฏจักรแซนโทฟิลล์ ซึ่งเป็นวัฏจักรของเม็ดสีที่ช่วยในการปกป้องแสงของพืช เมื่อได้รับแสงแดดเต็มที่ วงจรนี้จะทำงานในใบไม้เพื่อป้องกันความเสียหาย ทำให้ใบไม้สามารถกระจายพลังงานส่วนเกินออกไปได้ อย่างไรก็ตาม เมื่อใบไม้ได้รับร่มเงา (จากใบไม้อื่น เมฆ หรือดวงอาทิตย์ที่เคลื่อนบนท้องฟ้า) การป้องกันแสงนี้จำเป็นต้องปิดลง เพื่อให้ใบไม้สามารถดำเนินกระบวนการสังเคราะห์แสงต่อไปได้โดยมีแสงแดดสำรองไว้ พืชใช้เวลาหลายนาทีในการปิดกลไกการป้องกัน ทำให้พืชเสียเวลาอันมีค่าที่อาจใช้ในการ สังเคราะห์ แสง การแสดงออกมากเกินไปของยีนทั้งสามจากโครงสร้าง VPZ ช่วยเร่งกระบวนการ ดังนั้นทุกครั้งที่ใบไม้เปลี่ยนจากแสงเป็นเงา การป้องกันแสงจะปิดเร็วขึ้น ใบไม้ได้รับการสังเคราะห์ด้วยแสงเพิ่มขึ้นอีกหลายนาที ซึ่งเมื่อรวมกันตลอดฤดูปลูกจะเพิ่มอัตราการสังเคราะห์ด้วยแสงทั้งหมด งานวิจัยนี้แสดงให้เห็นว่าแม้จะได้ผลผลิตเพิ่มขึ้นมากกว่า 20% แต่คุณภาพของเมล็ดพันธุ์ก็ไม่ได้รับผลกระทบ Stephen Long ผู้อำนวยการ RIPE, Ikenberry Endowed University Chief of Crop Sciences กล่าวว่า "แม้ว่าผลผลิตจะสูงขึ้น แต่ปริมาณโปรตีนในเมล็ดยังคงไม่เปลี่ยนแปลง นี่แสดงว่าพลังงานพิเศษบางส่วนที่ได้รับจากการสังเคราะห์ด้วยแสงที่ดีขึ้นนั้นมีแนวโน้มที่จะเปลี่ยนไปสู่แบคทีเรียที่ตรึงไนโตรเจนในก้อนของพืช" และชีววิทยาพืชที่ Carl R. Woese Institute for Genomic Biology ของรัฐอิลลินอยส์ นักวิจัยได้ทดสอบแนวคิดของพวกเขาในต้นยาสูบเป็นครั้งแรกเนื่องจากง่ายต่อการเปลี่ยนพันธุกรรมของพืชและจำนวนเมล็ดที่สามารถผลิตได้จากต้นเดียว ปัจจัยเหล่านี้ทำให้นักวิจัยสามารถเปลี่ยนจากการเปลี่ยนแปลงทางพันธุกรรมไปสู่การทดลองภาคสนามได้ภายในไม่กี่เดือน เมื่อแนวคิดนี้ได้รับการพิสูจน์ในยาสูบแล้ว พวกเขาจึงเข้าสู่งานที่ซับซ้อนมากขึ้นในการใส่พันธุกรรมลงในพืชอาหาร ซึ่งก็คือถั่วเหลือง Long กล่าวว่า "ขณะนี้ผลผลิตเพิ่มขึ้นอย่างมากทั้งในยาสูบและถั่วเหลือง ซึ่งเป็นพืชสองชนิดที่แตกต่างกันมาก "การศึกษาของเราแสดงให้เห็นว่าการตระหนักว่าการปรับปรุงผลผลิตนั้นได้รับผลกระทบอย่างมากจากสิ่งแวดล้อม สิ่งสำคัญคือต้องพิจารณาความสามารถในการทำซ้ำของผลลัพธ์นี้ในสภาพแวดล้อมต่างๆ และการปรับปรุงเพิ่มเติมเพื่อให้แน่ใจว่าผลผลิตที่ได้จะมีเสถียรภาพด้านสิ่งแวดล้อม" การทดสอบภาคสนามเพิ่มเติมของต้นถั่วเหลืองดัดแปรพันธุกรรมเหล่านี้กำลังดำเนินการในปีนี้ โดยคาดว่าจะทราบผลในต้นปี 2566 De Souza กล่าวว่า "ผลกระทบที่สำคัญของงานนี้คือการเปิดทางให้เห็นว่าเราสามารถสังเคราะห์แสงทางวิศวกรรมชีวภาพและปรับปรุงผลผลิตเพื่อเพิ่มการผลิตอาหารในพืชหลัก" "นี่เป็นจุดเริ่มต้นของการยืนยันว่าแนวคิดที่ฝังแน่นโดยโครงการ RIPE เป็นวิธีที่ประสบความสำเร็จในการปรับปรุงผลผลิตในพืชอาหารหลัก" โครงการ RIPE และผู้สนับสนุนมุ่งมั่นที่จะสร้างการเข้าถึงทั่วโลกและทำให้เทคโนโลยีของโครงการพร้อมใช้งานสำหรับเกษตรกรที่ต้องการมากที่สุด "นี่เป็นถนนที่ยาวนานกว่าหนึ่งในสี่ของศตวรรษโดยส่วนตัว" ลองกล่าว "เริ่มจากการวิเคราะห์ทางทฤษฎีของประสิทธิภาพทางทฤษฎีของการสังเคราะห์ด้วยแสงของพืช การจำลองกระบวนการทั้งหมดโดยการคำนวณประสิทธิภาพสูง ตามด้วยการประยุกต์ใช้กิจวัตรการปรับให้เหมาะสมซึ่งบ่งชี้ถึงปัญหาคอขวดในกระบวนการในพืชผลของเรา การสนับสนุนด้านเงินทุนในช่วงสิบปีที่ผ่านมามี ตอนนี้ช่วยให้เราสามารถออกแบบการบรรเทาปัญหาคอขวดที่ระบุเหล่านี้บางส่วนและทดสอบผลิตภัณฑ์ในระดับภาคสนามได้ หลังจากหลายปีของการทดลองและความยากลำบาก การได้เห็นผลลัพธ์ที่ยอดเยี่ยมสำหรับทีมถือเป็นรางวัลที่ยอดเยี่ยม"