9 دقیقه
پژوهشگران در ژاپن تغییر میکروسکوپی در پروتئینهای گیاهی را کشف کرده‌اند که تا حد زیادی توضیح میدهد چرا کدوها، کدو سبز و دیگر اعضای خانواده کدوییان (Cucurbitaceae) آلاینده‌های خاک را در بخش‌های خوراکی خود متمرکز میکنند. این کشف دو مسیر کاربردی را نشان میدهد: اصلاح نباتی برای تولید سبزی‌هایی که کمتر آلوده میشوند، یا طراحی گیاهانی که به‌طور فعال خاک‌های آلوده را پاک میکنند.
یک نشانگر پروتئینی کوچک، یک مشکل بزرگ را توضیح میدهد
طی دهه‌ها، کشاورزان و محققان ایمنی مواد غذایی مشاهده کرده‌اند که اعضای خانواده کدوییان — از جمله کدو حلوایی، کدو سبز، خیار و ملون‌ها — معمولاً سطح بالاتری از برخی آلاینده‌های منتقل‌شونده از خاک را نسبت به بسیاری از گروه‌های زراعی دیگر نشان میدهند. این آلایندهها معمولاً در محیط پایدار می‌مانند و وقتی در بافت میوه تجمع پیدا میکنند، میتوانند خطرات سلامتی برای مصرف‌کننده ایجاد کنند. نمونه‌های شناخته‌شده این آلایندهها شامل فلزات سنگین (مثل کادمیوم و سرب)، ترکیبات آلی پایدار (مانند برخی آفت‌کش‌ها و هیدروکربن‌های آروماتیک چندحلقه‌ای) و دیگر آلاینده‌های پایدار محیطی میشوند که به دلیل پایداری و ظرفیت انتقال از طریق آب و ذرات خاک میتوانند وارد چرخه غذایی شوند.
هایدهیوکی اینویی و تیم او در دانشگاه کوبه به این پرسش پرداختند که چرا کدوییان رفتاری متفاوت از خود نشان میدهند. در تحقیقات قبلی، یک دسته از پروتئینهای گیاهی شناسایی شده بود که قادر به باندینگ (بستن) آلایندهها هستند؛ این پروتئینها میتوانند سموم را در سیالات گیاهی همراهی کنند و عملاً به عنوان ناقل یا «شپرد» (shepherd) آلایندهها عمل کنند. مطالعه جدید که در مجله Plant Physiology and Biochemistry منتشر شد، بر پایه این ردیابی قرار دارد و نشان میدهد که یک تغییر بسیار کوچک در توالی آمینو اسیدی پروتئین مانند یک کد پستی عمل میکند: به سلول می‌گوید که آیا پروتئین را نگه دارد یا آن را به شیره گیاهی (sap) ترشح کند. این تغییر در سطح یک آمینو اسید می‌تواند مسیر زیست‌شناختی پروتئین را کاملاً متفاوت نماید و در نتیجه نحوه توزیع آلایندهها در اندام‌های گیاهی را دگرگون کند.
چگونه ترشح (secretion) جریان آلایندهها را تغییر میدهد
محققان دریافتند نسخه‌هایی از پروتئینِ باندکننده آلاینده که ترشح میشوند و وارد شیره گیاهی میگردند، توانایی حرکت تا بافتهای بالای زمینی گیاه را دارند، در حالی که فرم‌های غیرترشح‌شونده در داخل سلول‌ها باقی می‌مانند و کمتر احتمال دارد که به سمت اندام‌های هوابرد حرکت کنند. در واریتههایی که آلاینده بیشتری را تجمع میدهند، مقادیر بیشتری از فرم ترشحشونده در شیره مشاهده شد — این یک مکانیزم منطقی برای توضیح اینکه چرا میوه‌ها حاوی آلودگی بیشتر میشوند.
برای آزمودن این ایده، تیم پژوهشی نسخه پروتئینی مرتبط با تجمع بالا را به گیاه تنباکو وارد کرد. گیاهان تنباکو نیز شروع به صادرات این پروتئین به شیره خود کردند و نشان دادند که اختلاف تک‌آمینو اسیدی کافی است تا مقصد پروتئین درون گیاه تغییر کند. همان‌طور که اینویی نیز اشاره میکند: «تنها پروتئینهای ترشح‌شده میتوانند در داخل گیاه مهاجرت کنند و به بخش‌های بالای زمینی منتقل شوند. بنابراین، ترشح به نظر می‌رسد که تمایز کلیدی بین واریتههای با تجمع کم و زیاد باشد.» این شواهد تجربی از طریق بررسی‌های مولکولی، ردگیری پروتئینی و تحلیل‌های مقایسه‌ای بین گونه‌ای پشتیبانی شده‌اند و نشان میدهند که سیگنال‌های ترشح (signal peptides) یا تغییرات نزدیک به محل اتصال میتوانند رفتار پروتئین را دگرگون سازند.
خانواده کدوییان که شامل کدو حلوایی، کدو سبز، ملون‌ها، خیار و غیره است، به جمع‌آوری سطوح بالایی از آلایندهها در بخش‌های خوراکی شناخته میشوند. درک مکانیسم پشت تجمع آلایندهها برای تولید محصولات غذایی ایمن‌تر حیاتی است. Credit: Hideyuki Inui
پیامدها برای ایمنی غذایی و فیترورمدیشن (phytoremediation)
این بینش در سطح پروتئینی دو نتیجه فوری دارد. اول، اصلاح‌گران محصول میتوانند واریتههایی را انتخاب کنند که نسخههای پروتئینی درون سلولی (retained) را تولید میکنند تا از ترشح پروتئین به شیره جلوگیری شود — بدین ترتیب مقدار آلاینده‌ای که به میوه می‌رسد کاهش می‌یابد و ایمنی غذایی بهبود می‌یابد. دوم، پژوهشگران میتوانند رویکرد را معکوس کنند و گیاهانی طراحی کنند که عمداً پروتئینهای باندکننده آلاینده را ترشح میکنند تا حداکثر جذب را تسهیل کنند؛ این کار می‌تواند آن گیاهان را به ابزارهای زنده‌ای برای پاکسازی خاک آلوده تبدیل کند (فناوری‌ای که به آن phytoremediation می‌گویند).
کنترل قدرت باندکنندگی پروتئین نسبت به آلاینده یا گرایش آن به ترشح شدن، یک اهرم مولکولی فراهم می‌آورد. اصلاح ژنتیکی، ویرایش ژنومی (مثل CRISPR/Cas) یا تلاقی دقیق و اصلاح نژادی می‌تواند آن اهرم را تنظیم کند تا یا حفاظت از محصول را افزایش دهد یا پاکسازی خاک را تقویت نماید. این انعطاف‌پذیری یافته را جذاب می‌سازد: نیازی به یافتن آنزیمهای جدید سم‌زدایی نیست، تنها تغییر در نحوه تولید و مسیردهی پروتئینهای باندکننده موجود در بافتهای گیاهی کافی است. از منظر زیست‌فناوری کشاورزی، این راهبرد می‌تواند سریع‌تر و هدفمندتر باشد چون بر جایگزینی عملکردهای موجود تکیه دارد تا ساختن مسیرهای کاملاً جدید بیوشیمیایی.
این برای کشاورزان و محیط زیست چه معنایی دارد
تصور کنید مزرعه‌هایی در مجاورت سایت‌های صنعتی یا زمین‌هایی با سابقه آلودگی قرار دارند. اگر کشاورزان کدوییانی با نسخههای پروتئینی نگهدارنده (غیرترشحی) را بکارند، برداشت آنها ممکن است بار آلاینده کمتری داشته باشد و ایمنی غذایی بدون تغییر در شیمی خاک بهبود یابد. از سوی دیگر، کشت کدوئیان مهندسی‌شده‌ای که پروتئینهای باندکننده با کارایی بالا را ترشح میکنند می‌تواند به استخراج آلایندهها از خاک طی چند فصل زراعی کمک کند و هزینه‌های پاکسازی و ریسک‌های اکولوژیک را کاهش دهد. این استراتژی‌ها میتوانند در چارچوب مدیریت خاک پایدار، برنامه‌های احیای زیست‌محیطی و سیاست‌های کشاورزی منطقه‌ای پیاده شوند.
در عمل، انتخاب بین دو مسیر مزبور بستگی به اهداف کشاورزی، مقررات محیطی، و هزینه-فایده دارد. به عنوان مثال، در زمین‌هایی که قصد تولید مواد غذایی برای بازار انسانی وجود دارد، اولویت معمولاً کاهش انتقال آلاینده به محصول است؛ در حالی که در سایت‌های صنعتی رهاشده یا مناطق با آلودگی شدید که تولید مواد غذایی نامطلوب یا خطرناک است، می‌توان از گیاهان پاک‌کننده برای بازیابی خاک استفاده کرد. ترکیب این رویکردها نیز ممکن است: نواحی اطراف مراکز مسکونی میتوانند از کدوییان با واریتههای ایمن بهره گیرند، در حالی که قسمت‌های خاصی از زمین برای phytoremediation با گیاهان ترشح‌کننده اختصاص یابد.
دیدگاه کارشناسی
«این مطالعه به‌طور دقیق یک سیگنال مولکولی را به یک مشکل کشاورزی قابل مشاهده مرتبط می‌سازد،» دکتر آملیا کورتز، زیست‌شناس مولکولی گیاه در دانشگاه شفیلد می‌گوید. «این نشان میدهد که چگونه یک تفاوت تک‌آمینو اسیدی می‌تواند مسیر یک پروتئین در گیاه را دوباره برنامه‌ریزی کند — و همین نقطه کنترلی دقیق است که اصلاح‌گران و زیست‌فناوران باید برای غذای ایمن‌تر یا فیترورمدیشن مؤثرتر هدف قرار دهند.»
کارهای آینده باید تعیین کنند کدام آلاینده‌های مشخص بیشترین تأثیر را از طریق این پروتئینها می‌پذیرند، ایمنی طولانی‌مدت محصولات اصلاحشده را تصدیق کنند، و استراتژیهای فیترورمدیشن را در خاک‌های آلوده واقعی آزمایش نمایند. با این وجود، این یافته یک نقشه راه عملی فراهم میکند: پروتئینهای حمل‌ونقل را بشناسید و سپس گیاهانی را طراحی کنید تا بسته به هدف، جریان آلاینده را یا مسدود یا تقویت کنند.
برای پیاده‌سازی عملی چنین رویکردهایی، چندین ملاحظه فنی و مدیریتی باید در نظر گرفته شوند: تعیین شاخص‌های زیستی (bioindicators) مناسب برای نظارت بر انتقال آلایندهها، توسعه روشهای سنجش قابل اعتماد برای تعیین سطح پروتئینهای ترشحشونده در شیره، و تدوین استانداردهای ایمنی برای محصولات کشاورزی که از لحاظ آلاینده‌های بالقوه تحت کنترل قرار دارند. علاوه بر این، مطالعات طولانی‌مدت باید ارزیابی کنند که آیا تغییر در مسیرهای پروتئینی بر سایر صفات گیاهی (مثل رشد، مقاومت به بیماری یا بازده محصول) تأثیری دارد یا خیر؛ این امر برای پذیرش تجاری و کشاورزی حیاتی است.
از منظر پژوهشی، پرسش‌های کلیدی زیر مطرح هستند: چه مجموعه‌ای از پروتئینها در گونه‌های مختلف کدوییان مسئول باندینگ آلایندهها هستند؟ آیا الگوهای بیان این پروتئینها با شرایط محیطی مانند pH خاک، سطح کربن آلی، یا ترکیب میکروبیوم ریزوسفر تغییر میکنند؟ و مهم‌تر اینکه، چه فناوری‌های مولکولی و زراعی میتوانند به بهترین شکل این مکانیسم‌ها را برای ایمنی غذایی یا پاکسازی خاک هدایت کنند؟ پاسخ به این پرسش‌ها نیازمند همکاری میان زیست‌شناسان مولکولی، اصلاح‌گران گیاه، مهندسان بیوتکنولوژی، و متخصصان مدیریت خاک است.
در نهایت، این کشف راه را برای راهکارهای مبتنی بر دانش مولکولی باز میکند که هم میتوانند ایمنی مواد غذایی را تقویت کنند و هم ابزارهای مقرون‌به‌صرفه برای بازگرداندن مناطق آلوده ارائه دهند. کاربردهای بالقوه از برنامه‌های اصلاح نژادی هدفمند تا پروژه‌های بزرگ مقیاس فیترورمدیشن متغیر است و هر مسیر نیازمند ارزیابی‌های محیطی، اقتصادی و اجتماعی ویژه خود خواهد بود.
منبع: scitechdaily
ارسال نظر