تغيّرات هيكلية في صناعة البذور

كيف نستخدم أحدث التقنيات لابتكار أصناف محاصيل ذات قيمة مضافة عالية مع توفير الوقت والتكاليف في البحث والتطوير؟

 

 

تخلق صناعة البذور قيمة مضافة من خلال طرح أصناف جديدة. يتطلب كل صنف جديد إنفاقاً إجمالياً يبلغ حوالي 136 مليون دولار أمريكي، ويستغرق تطويره ما بين ثماني وعشر سنوات، اعتماداً على طريقة التربية. ونظراً لارتفاع تكلفة تطوير صنف جديد، تميل شركات البذور إلى الاستثمار في المحاصيل التي تُزرع على نطاق واسع، وفي نظم الزراعة واسعة النطاق، مثل الذرة في الولايات المتحدة وفول الصويا في البرازيل. ومع ذلك، فإن محفظة المنتجات عالية التركيز كهذه قد تكون محفوفة بالمخاطر. فعلى سبيل المثال، يؤثر حظر استخدام Glyphosate على مبيعات 145 صنفاً من الذرة، و23 صنفاً من فول الصويا، و22 صنفاً من القطن، و15 صنفاً من الكانولا. لذلك، فإن مفتاح النجاح في صناعة البذور هو معرفة كيفية تقديم تلك الأصناف الجديدة التي تلبي احتياجات المزارعين/المستهلكين بدقة.

 

تخيل مزارعين يطلبون بذورهم عبر الإنترنت تماماً مثل طلب جهاز MacBook: لون مخصص لثمرة البطاطس، نسبة مخصصة للأحماض الدهنية في فول الصويا، مقاومة مخصصة للآفات/الأمراض، وما إلى ذلك. السمات قابلة للتعديل وفقاً لاحتياجاتهم. علاوة على ذلك، يتيح هذا أيضاً التنبؤ بالمحصول. في هذا السيناريو، تضع شركة البذور خطة إنتاج وفقاً للطلبات المقدمة. لا يوجد ضغط على المخزون، ولا هدر في موارد البحث. يمكن للمستهلكين اختيار طعامهم من خلال إيصال احتياجاتهم إلى المزارعين.

 

كيف ننتقل من النظام الحالي إلى مثل هذا السيناريو المستقبلي؟ يبدأ الأمر كله بأداة تحرير الجينات، CRISPR/Cas. ببساطة، تتيح لنا هذه الأداة تحرير الجينوم في أي مكان نريده، باستخدام مكونين رئيسيين: CRISPR و Cas. يشير Cas إلى البروتين الذي يقوم بقطع DNA. ويشير CRISPR إلى تسلسل DNA الذي يوجه Cas إلى الموقع المطلوب من الجينوم لقطعه، والذي استخدمته البكتيريا في الأصل لجهازها المناعي واكتُشف لأول مرة في جينوم E. coli في عام 1987. منذ عام 2012، أظهر نظام CRISPR/Cas أنه يمكن برمجته لقطع DNA المستهدف، وتم تطبيقه في مجالات مثل علاج الأمراض البشرية، وتربية الحيوانات، وأيضاً تربية النباتات. يمكن استخدام هذا النظام لتحرير الجينات في ثلاث خطوات:

 

1. البحث عن مكان مطابق في الجينوم (تسلسل DNA) لتحريره

2. قطع DNA

3. إزالة/استبدال DNA غير المرغوب فيه بالحمض المطلوب.
 

تحرير الجينات يشبه تصحيح الأخطاء في Microsoft Word: البحث عن خطأ مطبعي (إيجاد جين لتحريره)، حذف الخطأ المطبعي (قطع DNA)، واستبداله بالكلمة الصحيحة (لصق DNA جديد).

 

تستخدم Corteva نظام CRISPR/Cas كأداة تربية لصنف من الذرة، مما يقلل دورة التربية من ثماني سنوات إلى خمس سنوات. تظهر إيجابيات وسلبيات CRISPR/Cas والكائنات المعدلة وراثياً (GMO) التقليدية أدناه.

 

 

على عكس الطرق التقليدية لنقل الجينات، يتطلب CRISPR/Cas ترتيباً دقيقاً لموقع محدد في الجينوم لإجراء تحرير الجينات. وهذا يتطلب مزيداً من المعلومات حول الجينوم، ولم يتراكم سوى عدد قليل من المحاصيل معرفة كافية لهذا الغرض (مثل الذرة وفول الصويا والأرز).

 

على المدى القصير، يمكن لشركات البذور تحرير المحاصيل ذات الوظائف الجينية المعروفة، ولكن لا تزال العديد من الوظائف الجينية مفقودة، على سبيل المثال تحمل الجفاف.

 

لتسريع أبحاث وظائف الجينات في المحاصيل، يستخدم علماء النبات أحدث التقنيات. وتشمل هذه استخدام الطائرات بدون طيار لجمع الصور، وتكنولوجيا المعلومات للكشف عن شبكات تنظيمية جديدة، والتعلم العميق لتدريب أجهزة الكمبيوتر على التنميط الظاهري عالي الإنتاجية. تسهل الكمية الهائلة من البيانات المدخلة تطوير نماذج للتنبؤ بالمحصول. وبالاقتران مع أحدث تقنيات التسلسل ونماذج التنبؤ الجيدة، سيكون من الممكن التنبؤ بدقة بالمحصول من خلال تسلسل الجينوم للمحصول. سيوفر هذا قدراً هائلاً من الوقت والمال في التربية، ويقلل من المخاطر.

 

تسمح التقنيات، مثل المستشعرات والطائرات بدون طيار، بجمع المزيد من البيانات في وقت ومكان محددين، وهذا يعني المزيد من التفاصيل التي يمكن استخدامها لفهم أداء المحاصيل. ومع ذلك، لاستخراج المعلومات من مئات وآلاف الصور، هناك حاجة إلى باحثين في مجال المعلوماتية (الحيوية). ويصعب العثور على هؤلاء الخبراء، حيث أن الرواتب غالباً ما تكون أقل جاذبية في القطاع الزراعي، مما يعني أنه قد يكون هناك نقص في الأشخاص المتاحين لمعالجة الكميات الهائلة من البيانات.

 

بشكل عام، تتمثل مفاتيح تحقيق التربية المخصصة في البيانات (سواء المظهرية أو الجينومية)، والنمذجة، وتحرير الجينات. أولاً، من خلال البيانات المظهرية والجينومية، نحدد العلاقات بين الجينات ووظائفها. ثانياً، من خلال النمذجة، نتنبأ بأداء نمط جيني معين. وأخيراً، باستخدام تحرير الجينات، يمكن إنشاء النمط الجيني المطلوب في أسرع وقت ممكن.

 

الخلاصة
 

لقد كانت التربية مهمة طويلة ومكلفة لشركات البذور، ولكن هذا سيتغير مع التقنيات الجديدة. هناك ثلاث تقنيات (تحرير الجينات، التنميط المظهري، والتعلم العميق)، والتي يمكن أن تلعب دوراً في تقصير دورة التربية وتقليل التكاليف. يتيح لنا تحرير الجينات تعديل جينوم المحصول بدقة دون فقدان خلفية الإنتاجية العالية، مما يوفر الوقت. ويزيد التنميط المظهري باستخدام الطائرات بدون طيار من كفاءة جمع البيانات، بينما يزيد التعلم العميق من إنتاجية معالجة البيانات. ومع تقارب الرقمنة القائمة على تكنولوجيا المعلومات والاتصالات التي تحدث في الممارسات المزرعية مع التكنولوجيا الحيوية، ستنتقل صناعة البذور إلى استراتيجية تربية تنبؤية مدفوعة باحتياجات العملاء.