در ۳۰ سال آینده جمعیت جهان با رشد ۲۵ درصدی به ده میلیارد نفر خواهد رسید. از این رو استفاده از روش‌های قدیمی که برای کشت و برداشت محصولاتی همچون گندم (Triticum aestivum)، برنج (Oryza sativa) و ذرت (Zea mays)، پاسخگوی درخواست جمعیت جهانی نخواهد بود. به همین جهت تولیدکنندگان تمرکز خود را بر روی تولید محصولاتی با بازده بالاتر، میزان ریز‌مغذی بیشتر، مقاومت بیشتر در برابر آفات و نیز سازگار با شرایط آب و هوایی مختلف معطوف کرده اند.
برخلاف ۱۲ هزار سال پیش که غلات برای اولین بار اهلی شدند، امروزه طیف گسترده ای از فناوری‌های خلاقانه در جهت بهبود محصولات در اختیار تولیدکنندگان قرار دارد. استفاده از نشان‌گرهای DNA علاوه بر امکان تعیین توالی نسل‌های دوم و سوم، شرایط را برای جستجوی ژنی و پیش‌بینی نوع محصولات تسهیل می‌کند. سیستم‌های فنوتیپی امکان انتخاب دقیق‌تر محصولات برتر را برای تولید در مقادیر بالا فراهم می‌کنند. یکی از عوامل محدودکننده تولید محصولات گیاهی، زمان طولانی رشد است که به تولیدکنندگان امکان برداشت نهایتا یک یا دو نسل را در سال می‌دهد. برای کم‌کردن این زمان از روش‌های افزایش سرعت که بر پایه طول دوره‌های نوردهی و کنترل دما بنا شده اند استفاده می‌شود. این طرح در مورد گندم بهاره، نخودفرنگی (Cicer arietinum)، جو (Hordeum vulgare) و کلزا (Brassica napus) انجام و مشاهده شده که زمان لازم برای تولید به نصف کاهش یافته است. برای مقابله با چالش تأمین غذای جمعیت ده میلیاردی سال‌های آینده، لازم است تا فناوری‌های نوآورانه با روش‌های افزایش سرعت تولید محصولات ترکیب شوند.
توسعه سرعت در تولید محصولات
حدود ۱۵۰ سال پیش گیاه شناسان نشان دادند که محصولات گیاهی می‌توانند در زیر نور مصنوعی لامپ‌های قوسی کربنی رشد کنند. تأثیر مثبت حضور نور پیوسته بر روی رشد گیاهان توسط Arthur و همکارانش بر روی بیش از ۱۰۰ گونه گیاهی از جمله سبزیجات، غلات و گیاهان علفی و زینتی مورد ارزیابی قرار گرفت. در اواسط دهه ۸۰ ناسا با همکاری دانشگاه یوتا امکان تسریع چرخه رشد گندم با حضور نور پیوسته را در ایستگاه فضایی بررسی کردند. در پایان این طرح، لاین گندم‌هایی کوتاه قد با نام USU-Apogee که چرخه رشد را سریع تر طی می‌کردند ایجاد شد. در دهه ۹۰ تأثیر لامپ‌های LED مورد مطالعه قرار گرفت و به دنبال توسعه این لامپ‌ها بخش زیادی از هزینه‌های تولید گیاهان در محیط‌های داخلی کاهش و میزان تولید محصولات افزایش پیدا کرد.
با الهام از کار ناسا، محققین دانشگاه کوئینزلند، برای اصلاح گندم از روش تسریع پرورش استفاده کردند. در حال حاضر دستورالعمل‌های پروش سریع برای بسیاری از گونه‌ها در دسترس است. برخلاف فناوری دابل هاپلوئید، پرورش سریع برای گیاهان با ژرم‌پلاسم متنوع مناسب بوده و نیازمند آزمایشگاه‌های تخصصی برای کشت نیست. در این روش عواملی مثل کیفیت نور، شدت نور، طول روز و دما در طی فتوسنتز و گل‌دهی کنترل می‌شوند.
اولین گونه گندم بهاره که با فناوری پرورش سریع در سال ۲۰۱۷ در استرالیا تولید شد DS Faraday نام دارد. در این مورد از این فناوری برای شتاب بخشیدن به ورود ژن‌های دخیل در نهفتگی دانه که از جوانه‌زنی دانه بالغ جلوگیری می‌کنند استفاده شد. بدین‌ترتیب توان جوانه‌زنی پیش از برداشت بهتر شد و آرد تولید شده از این گندم پروتئین بالایی را داشت.
تعیین فنوتیپ دقیق و سریع
تعیین فنوتیپ با سنجش جنبه های مختلف رشد، نمو و فیزیولوژی گیاه تعریف می‌شود. شکل‌گیری فنوتیپ به تعامل میان ژنوتیپ و محیط برمی‌گردد. برخی از این عوامل محیطی عبارتند از: خواص فلورسانس سیستم فتوسنتز، میزان رشد، مقاومت به بیماری‌ها، توان تحمل کم‌آبی، مورفولوژی و تأثیرات آب و هوایی. تشخیص دقیق فنوتیپ در پروش گیاهان بسیار مهم است زیرا در انتخاب لاین‌ها برای توسعه تنوع‌های جدید نقشی اساسی دارد. در روش‌های تعیین فنوتیپ علاوه بر دقت و سرعت، میزان هزینهها نیز باید در نظر گرفته شوند. ابزارهای مهندسی امروزه برای انتخاب بهتر فنوتیپ‌های برتر به کمک کشاورزان آمده اند. برای مثال، استفاده از ربات‌ها برای ثبت تصاویر گیاهان یکی از نوآوری‌های انجام شده در این راستاست. در مجموع این ابزارها با روش‌های غیرتهاجمی، امکان تصویربرداری و استخراج اطلاعات مهم از محیط را فراهم می‌کنند. این ابزارها علاوه بر افزایش دقت انتخاب، کاهش هزینهها را نیز به دنبال دارد. اما چالش اصلی استفاده از این نوع ابزارها، دسته‌بندی کردن اطلاعات و پردازش تصاویر است. بخشی از دانش ما از پاسخ گیاه به محیط حاصل می‌شود، بنابراین برای مطالعه فنوتیپ می‌توان به رصد محیط نیز پرداخت. پیشرفت‌ها در زمینه تعیین فنوتیپ با تکامل دانش ما از همکاری میان فنوتیپ-ژنوتیپ هماهنگ است. ترکیب روش‌های تعیین فنوتیپ با شیوه‌های کشت وابسته به ژنومیک می‌تواند موجب بهبود خط تولید محصولات شود. همچنین بر روی سرعت تولید نیز مؤثر خواهد بود. نوآوری‌ها در زمینه محصولاتی که در زمین‌های کشاورزی کاشته می‌شوند اعمال شده است و فقط می‌توانند با ویژگی‌هایی از پرورش سریع همراه شوند که میان محیط و شرایط استفاده شده در پرورش سریع یکسان باشند. برای مثال می‌توان به طول روز و شدت نور مصنوعی اشاره کرد. برای تعیین صفات مقاومت به عوامل بیماری‌زای ساده، تعیین فنوتیپ در شرایط آزمایشگاهی همراه با چند تکرار کافی است؛ اما برای صفات پیچیده‌تر شرایط باید در محیط هدف نیز بررسی شود.
بهبود محصولات با ویرایش سریع
بسیاری از برنامه‌های نسل اول ویرایش ژن فقط بر روی یک یا دو مدل ژنتیکی غیر سرآمد تکیه دارند که فقط پاسخگوی تولید در محیط کشت و تغییر بافت گیاهی است. ویرایش ژنی علاوه بر زمان‌بر بودن به آزمایشگاه‌های اختصاصی با ویژگی‌های مناسب برای مقابله با نفوذ آلودگی نیاز دارد. ویرایش ژنی با دستکاری در ژن Cas9 و RNA راهنمای تک‌رشته (sgRNA) انجام می‌شود. یکی از سیستم‌هایی که در پرورش سریع با ویرایش ژنی وجود دارد ویرایش سریع (express edite) است. در این سیستم امکان دستکاری آزمایشگاهی اجزای گیاهی تعبیه شده است.
ویرایش ژنتیکی می‌تواند با مجموعه ریبونوکلئوپروتئینی CRISPR–Cas9 انجام می‌گیرد. این تغییرات تاکنون روی برخی گونه‌ها نظیر گندم، ذرت و سیب‌زمینی (Solanum tubersosum) اعمال شده است. بافت هدف در این آزمایش جنین نابالغ یا پروتوپلاست است. برای اطمینان از داشتن نتایج بهینه از دانه‌های بالغ یا در حال جوانه زدن استفاده می‌شود. امکان تعیین فنوتیپ در طی نسل‌های متوالی وجود دارد. برای انتقال پروتئین Cas9 و sgRNA از صفحات نانویی ساخته شده از خاک رس استفاده می‌شود. القای مقاومت به ویروس در گیاهان از طریق RNA مداخله‌گر انجام می‌شود. برای این انتقال از صفحات نانویی رسی می‌توان استفاده کرد.
روش ویرایش سریع قابل انجام در پروش سریع
برای ردیابی تعداد کمی از ژن‌ها یا ویژگی‌ها از روش انتخاب با کمک نشان‌گرهای DNA استفاده می‌شود. اما به‌منظور پیش‌بینی گونه‌های ژنتیکی مستعد در مورد صفات پیچیده از انتخاب ژنومی بهره می‌برند. در این روش نشان‌گرهای DNA با گستره ژنومی بالا به کار گرفته می‌شوند. این فناوری برای شناسایی صفات پیچیده‌ای به کار می‌رود که می‌توانند توسط عوامل مختلفی همچون ژن‌ها و عوامل کنترلی تحت تأثیر قرار بگیرند؛ این در حالی است که اثر هر کدام از این عوامل به تنهایی کم است.
یکی از مزایای انتخاب ژنومی نسبت به روش‌های سنتی کشت و پرورش گیاهان، امکان انتخاب مسیرها در نقش‌های مختلف است؛ مثلاً می‌توانند در مسیر توسعه به‌عنوان والد باشند. همچنین مدت زمانی که در مسیرهای پرورش چندگانه پرورش ژنومی صرف می‌شود مشابه زمانی است که برای مسیرهای منفرد روش‌های سنتی صرف می‌شد. صرفه‌جویی در زمان و منابع در این نوع انتخاب، باعث می‌شود تا بتوان برخی از صفات را که معمولاً در پایان مسیر بروز می‌کنند نیز اندازه‌گیری کرد؛ برای تعیین فنوتیپ نیز مناسب‌ترند. برای دست‌یابی به محصول بیشتر و صفات چندگانه، انتخاب ژنومی با نشان‌گذاری همزمان انجام می‌شود.
در حال حاضر هزینه بالای تعیین ژنوتیپ بزرگ‌ترین چالش برای انجام انتخاب ژنومی است. انتخاب نسل دوم یا سوم یکی از روش‌های کم‌کردن هزینه‌هاست. به‌علاوه می‌توان صفاتی نظیر برخی از انواع مقاومت به بیماری‌ها را که می‌توانند به نمای فنوتیپی برسند برگزید. یکی دیگر از شیوه‌های جدید، استفاده از تعیین توالی با ظرفیت بالا همچون rAmpSeq می‌باشد که قادر است تا حد زیادی هزینه تعیین ژنوتیپ را کاهش دهد.
جایگاه دقیق نوکلوئتید منفردی که موجب پلی‌مورفیسم می‌شود برای خیلی از صفات شناسایی نشده است؛ اما در مورد پلی‌مورفیسم‌های منفرد در برخی موارد شناسایی انجام شده است. پلی‌مورفیسم ممکن است در گونه‌های وحشی یا غیر منتخب رخ دهد. در این موارد بهتر است از طریق شیوه ویرایش سریع (ExpressEdite) موارد منتخب را برگزید و به‌طور همزمان انتخاب ژنومیک را نیز انجام داد.
تسریع اهلی سازی گیاهان
اهلی سازی یکی از مراحل دشوار انتخاب است که برای انتخاب جهش‌یافته‌ها در مورد یک صفت مناسب قابل انجام است و در نهایت موجب تولید گیاهانی قابل کشت می‌شود. مشابه این روش در اهلی سازی جدید برای گونه‌های وحشی انجام می‌شود و موجب تولید گونه‌های مدرن قابل کشت می‌گردد. این کار موجب بروز ژن‌ها و صفات مخفی موجود در گنجینه ژنی ژن‌های اهلی شده می‌شود. اهلی سازی اغلب با پلی پلوئیدی در ارتباط بوده و می‌توان اینگونه نتیجه گرفت که اکثر محصولات پلی‌پلوئید هستند.
با هدف ارتقا ارزش غذایی محصولات و تولید غذایی سالم‌تر، ویرایش و جهش با پرورش سریع همراه می‌شوند. برای مثال می‌توان افزایش ویتامین B۹ در برنج و یا حذف پروتئین مضر ساپونین از گیاه کینوا (Chenopodium quinoa) و نئوروتوکسین از نخودفرنگی سبز (Lathyrus sativus) را ذکر کرد. اهلی سازی انجام‌شده توسط ویرایش ژنی، روشی سریع و مناسب برای دست‌یابی به مخزن ژنی خویشاوندان گونه‌های وحشی است. اهلی سازی و پرورش سریع امکان دست‌یابی سریع به تنوع‌های ژنتیکی جدید را فراهم می‌کنند. به دنبال این دسترسی، کشاورزان نیز می‌توانند با سرعت بیشتری به این تنوع دست پیدا کنند.
پرورش سریع دیگر
استفاده از لامپ‌های LED در کنار تنظیم دقیق مدت زمان نوردهی باعث می‌شود تا پرورش سریع جنبه کاربردی‌تری پیدا کند. هدف از پرورش سریع، بهینه‌سازی و ادغام عواملی است که بر روی کاهش زمان تولید محصول و ظهور همه فنوتیپ‌های گیاهی مؤثرند. اولین مرحله مداخله در پرورش گیاهان، شکستن خواب دانه است. در بسیاری از گونه‌ها این خواب در دوران جنینی به گیاه القا می‌شود. خواب دانه‌ها بعد از برداشت با استفاده از فرآیند لایه‌بندی سرد قابل رفع شدن است، در این فرایند دانه‌ها در شرایطی با دمای پایین و رطوبت بالا قرار می‌گیرند و یا از هورمون‌های تحریک‌کننده جوانه زدن استفاده می‌شود. برای شکستن خواب دانه‌های جو و گندم، ۱۴ روز بعد از گل‌دهی، دانه‌ها برداشت و برای مدت ۳ روزخشک می‌شوند و ۴ روز نیز تحت شرایط فرایند لایه‌بندی سرد قرار می‌گیرند. این زمان را اگر نسبت به یک دانه بالغ محاسبه کنیم مدت زمان لازم برای جوانه زدن و رشد به ۱۵ روز می‌رسد. در مورد عدس (Lens culinaris) نیز شرایط مشابهی وجود دارد، بعد از گذشت ۱۲ روز از گل‌دهی می‌توان دانه‌ها را با کشت ۲ تا ۳ روزه در محیط کشت وادار به جوانه‌زنی کرد. در این روش به خشک کردن و ایجاد سرما نیازی نیست و مدت زمان لازم برای شکست خواب دانه و جوانه زدن آن به ۸ روز کاهش پیدا می‌کند.
در پرورش سریع بعد از جوانه زدن، مدت زمان لازم برای گل‌دهی نیز باید کاهش یابد. در برخی موارد برای گل‌دهی به یک تیمار سرما نیاز است که با نام بهاره کردن شناخته می‌شود. حال دوره این تیمار در مورد برخی گیاهان طولانی است، برای مثال واریته‌های گندم زمستانی به ۶ تا ۱۲ هفته برای گل‌دهی نیاز دارند. عوامل مولکولی دخیل در عمل بهاره کردن کاملاً شناخته شده اند. با دستکاری نقاط کنترل مثل تغییر در تنظیمات پایین‌دستی کنترل‌کننده مرکزی VERNALISATION 2 می‌توان با تسریع فرایند بهاره کردن، مدت زمان گل‌دهی را کاهش داد.
یکی دیگر از روش‌ها برای تسریع رشد گیاه، افزایش دما در مراحل کلیدی رشد است. اما دمای بالا باعث کاهش بخار آب نیز می‌شود که در نتیجه کاهش رشد گیاه و نیز کاهش رویش دانه‌های گرده را به دنبال دارد. در مورد ذرت مشخص شده است که بازده گیاه حتی نسبت به دمای بالای شبانه نیز حساس است. اما اگر دمای حساس هر گیاهی شناخته شود می‌توان از دمای بالا در مرحله مناسب استفاده و رشد را تسریع کرد، بدون آنکه تأثیر منفی بر خود گیاه گذاشته شود. بنابراین می‌توان با اعمال دمای بالا در مرحله رویشی گیاه و دمای پایین در مرحله زایشی، نمو گیاه را کنترل کرده و بازده گیاه را به وضعیت مطلوب رساند.
بهینه‌سازی طول دوره نوردهی و شدت نور نیز می‌تواند پرورش سریع را بهبود بخشد. روزهای طولانی، رشد گیاهان روز بلند یا غیر حساس به طول روز را افزایش می‌دهند در حالی که شدت نور بهینه برای فتوسنتز، تولید اولیه را تقویت خواهد کرد. نسبت نور قرمز به آبی نیز بر روی گل‌دهی مؤثر است. در گندم این نسبت حدود ۱ است و نور صورتی گل‌دهی را تقویت می‌کند. یکی از ابزارهای مهم در پرورش سریع استفاده از لامپ‌های LED است، که علاوه بر تأثیر بر کیفیت نوردهی میزان هزینه‌های عملیاتی را نیز کم می‌کند. بسته به نوع رنگ لامپ لیزری که استفاده می‌شود ۴۰ تا ۶۰ درصد از انرژی ورودی به نور تبدیل می‌شود. در گیاه آرابیدوپسیس تالیانا در شرایطی که از نور لیزر به جای نور سفید استفاده می‌شود میزان یک پروتئین خاص وابسته به شرایط استرسی نور و اشعه کاهش می‌یابد. نور لیزر می‌تواند در خارج محوطه پرورش گیاه (یک محفظه یا گلخانه) تولید و سپس بر روی گیاه توزیع شود و بدین‌ترتیب می‌توان دما را با هزینه‌ای مناسب کاهش داد. این کاهش دما برای به بار نشستن برخی از گیاهان در شرایط ازمایشگاهی نیاز است، در این شیوه می‌توان از فوتون‌های با شدت بالا هم بدون اینکه به گیاه آسیبی بزند استفاده کرد.
افزایش غلظت دیاکسیدکربن می‌تواند با افزایش ظرفیت فتوسنتز، تولید اولیه را افزایش دهد. افزایش دیاکسیدکربن موجب افزایش آستانه دیگر عوامل مهم در فتوسنتز مانند شدت و کیفیت نور نیز می‌شود. جبران آب از دست رفته در دماهای بالا با کم‌کردن روزنه‌ها از جمله دیگر مزایایی است که افزایش غلظت دیاکسیدکربن بر رشد گیاه دارد. مقدار بهینه آب و مواد مغذی نیز بر روی غلظت دیاکسیدکربن و اثرگذاری آن مؤثرند. بنابراین آب‌کشت (hydroponics) که هیچ‌گونه محدودیتی برای عوامل ورودی وجود ندارد می‌تواند موجب شود تا تمام پتانسیل رشد گیاه قابل مشاهده باشد.
بسته به هدف کار که می‌تواند دوره رشد سریع، بارورسازی سریع و یا تعیین فنوتیپ سریع باشد و گونه‌های گیاهی مورد استفاده، پارامترها باید نسبت به نتایج مدنظر بهینه‌سازی شوند. به‌عنوان مثال، Zeng و همکارانش در مطالعه ای با اعمال تنش آب، گیاهان را در چاهک‌های ۸۰ سانتی‌متری رشد دادند. هدف آن‌ها این بود که به صورت برنامه ریزی شده تا هشت نسل گندم در هر سال با حداقل دانه استفاده شده (۲ یا ۳ دانه برای هر گیاه) قابل برداشت باشد.
چشم‌انداز
برای برخی از گیاهان، با وجود استفاده از روش‌های پرورش سریع و یا دیگر فناوری‌های تولید، به‌دلیل حساسیت گیاه به طول روز یا عدم توانایی آن در رسیدن سریع به دوره زایشی در نور بیشتر، نمی‌توان به محصول دست پیدا کرد. برای مثال، گوجه‌فرنگی به نور ثابت حساس است، اما محققان یک ژن گوجه‌فرنگی را شناسایی کرده اند که گیاه را قادر می‌سازد تا نور ثابت را تحمل کند و زمانی که تحت شرایط پرورش سریع قرار می‌گیرد، بازده تولید تا ۲۰ درصد افزایش می‌یابد. همچنین در مورد محصولات سرسخت مانند گونه‌های روز کوتاه (مثل ذرت) و گیاهان دو ساله (مانند چغندر قند) پرورش سریع می‌تواند بسیار مؤثر باشد. برخی از نوآوری‌ها مثل سیستم‌های خنک‌کننده تبخیری که از آب دریا استفاده می‌کنند، پنل‌های خورشیدی نیمه شفاف که طول موج‌های خاصی را در جهت رشد مناسب گیاه انتقال می‌دهند و یا سیستم‌های نوردهی کارامد مثل نور لیزر، می‌توانند با کاهش هزینه‌های پرورش، شرایط را برای گسترش پرورش سریع نیز فراهم کنند.
شیوه‌های پرورش گیاهان در ۱۰۰ سال اخیر توانسته اند نیازهای بشر را رفع کنند. توسعه واریته‌های جدید گیاهان و به‌کارگیری روش‌های مدرن پرورش نیز از جمله ابزارهایی هستند که وظیفه تأمین نیاز جمعیت بشر در دهه‌های آینده را بر عهده خواهند داشت.
