گیاه ایده آل برای کشت در فضا تا آنجا که ممکن است مواد مغذی زیادی را از ورودی های کم تأمین می کند. در اینجا ، ما در مورد نحوه استفاده از بیوتکنولوژی برای تولید رقم سیب زمینی مناسب برای انسان در فضا بحث می کنیم.
اگر قرار است بشر ماموریت های فضایی و استعمار طولانی مدت را انجام دهد ، ایجاد یک سیستم کشاورزی فضایی کارآمد برای بقای انسان در فضا ضروری است. با این حال ، محصولات موجود به اندازه کافی مقرون به صرفه و مولد برای استفاده در مزارع فضایی نیستند. از این رو ، ما استراتژی گیاهان خوراکی و نخبگان (WBEEP) برای بهبود عملکرد فضا را پیشنهاد می کنیم. استراتژی WBEEP با تکیه بر بیوتکنولوژی گیاهی ، توسعه محصولاتی با قسمت های خوراکی بیشتر ، محتوای غنی تر از مواد مغذی ، عملکرد بیشتر و راندمان استفاده از مواد معدنی بیشتر برای مزارع فضایی را هدف قرار می دهد.
سیب زمینی (Solanum tuberosum L.) به دلیل مزایای زیر یکی از اصلی ترین مدعیان کشاورزی فضایی است: (1) شاخص برداشت بالا و عملکرد غده و غده های غنی از کربوهیدرات که می تواند مقدار زیادی انرژی برای انسان تامین کند. (2) الزامات ساده باغبانی و پردازش مواد غذایی ؛ و (3) تحمل بالا در برابر تنش ها با توانایی توسعه عادی در طول پرواز فضایی. نکته مهم این است که سیب زمینی را می توان به صورت غیرجنسی از طریق غده ها و از طریق بذر به صورت جنسی تکثیر کرد. تولید مثل غیر جنسی می تواند بازآفرینی منابع غذایی و ارزش غذایی پایدار را تضمین کند ، در حالی که تولید مثل جنسی می تواند ضریب انتشار بیشتر و هزینه های ذخیره سازی و حمل و نقل پایین را تضمین کند. با این حال ، سیب زمینی را نمی توان به طور م inثر در فضا کشت کرد تا زمانی که نقص های ذاتی مربوط به محتوای بالای سولانین ، عملکرد کم و تجمع مواد مغذی و بازده مصرف کم کود برطرف نشود. در زیر ، ما یک استراتژی WBEEP برای بهبود سیب زمینی را توصیف می کنیم که ممکن است یک سیب زمینی WBEEP برای کشاورزی فضایی ایجاد کند (شکل 1).
توسعه گیاه خوراکی برای بدن WBEEP-سیب زمینی
گیاهانی که تمام بدن آنها خوراکی است برای مزارع فضایی مطلوب است زیرا می توانند غذای بیشتری برای انسان به ارمغان بیاورند و ضایعات را کاهش دهند. با این حال ، ساقه سیب زمینی ، برگ ها و انواع توت ها قابل خوردن نیستند. قسمتهای هوایی گیاهان سیب زمینی حاوی سولانین انباشته شده (در درجه اول α- سولانین و α-chaconine) است که در برابر آفات و عوامل بیماری زا دفاع می کند اما برای انسان سمی است. در سیستم های کشاورزی فضایی ، با محیط های بسیار کنترل شده ، مقاومت گیاهان با واسطه سولانین غیر ضروری است. اگر سولانین حذف شود ، کل گیاه سیب زمینی به طور بالقوه می تواند خوراکی شود. برای جلوگیری از تجمع سولانین در گیاهان سیب زمینی ، می توان بیوسنتز را هدف قرار داد. به عنوان مثال ، خاموش کردن یا جهش ژن های کد کننده آنزیم سیتوکروم P450 GAME4 ، دی اکسیدژناز DPS یا فاکتور رونویسی AP2/ERF GAME9 محتوای سولانین را تا حد زیادی کاهش می دهد. گوجه فرنگی همچنین می تواند سولانین سمی (در درجه اول α- تومیتین) تولید کند ، اما می تواند سولانین را به اسکولئوزید A غیر شیری و غیر سمی گلیکوزید A در میوه ها تبدیل کند.6به از آنجا که متابولیسم سولانین شامل چندین واکنش آنزیمی مشترک بین سیب زمینی و گوجه فرنگی است ، ممکن است بتوان ژنهای متابولیسم سولانین را از گوجه فرنگی به سیب زمینی وارد کرد تا تجمع سولانین را کاهش دهد.
تراکم زیستی با مواد مغذی مفید برای سیب زمینی WBEEP
مواد مغذی گیاهی (به عنوان مثال ، فلاونوئیدها و آنتوسیانین ها) و ویتامین ها برای سلامت انسان اهمیت زیادی دارند. بدن در فضا شکننده تر می شود و به مواد مغذی بیشتری نیاز دارد. با این حال ، چندین ریز مغذی در غذاهای بسته بندی شده در شرایط ذخیره سازی در فضا به احتمال زیاد تجزیه می شوند ، که به دست آوردن مواد مغذی پایدار برای خدمه را دشوار می کند.8به بنابراین ، مطلوب است که مردم مستقیماً از محصولات کشاورزی تازه تغذیه کنند. با توجه به محتوای ناکافی پروتئین ها ، مواد مغذی گیاهی ، ویتامین ها و سایر مواد مغذی ضروری در غده های سیب زمینی ، برای تأمین کامل نیازهای مغذی بدن انسان ، تأمین زیستی سیب زمینی ضروری است. گیاهان را می توان برای سنتز ویتامین ها و متابولیت های ثانویه عملکردی با اصلاح مسیرهای متابولیک درون زا ، از جمله (1) افزایش عرضه پیش ساز ، بهبود بخشید. (2) بیان بیش از حد ، جابجایی یا جهش آنزیم های گلوگاه ؛ (3) خاموش کردن مسیرهای نامطلوب ؛ (4) مسدود کردن مسیرهای رقابت ؛ (5) گسترش جریان متابولیک برای کاهش مهار بازخورد ؛ و (6) تنظیم عوامل رونویسی. با استفاده از استراتژی های فوق ، سیب زمینی سرشار از ویتامین ها ، پروتئین ها ، فلاونوئیدها ، آنتوسیانین ها و سایر مواد مغذی تولید شده است. علاوه بر این ، انواع سیب زمینی حاوی کانتاگزانتین ، آستاگزانتین یا اسیدهای چرب چند غیر اشباع با زنجیره طولانی (VLC-PUFAs) ممکن است با بازسازی مسیرهای بیوسنتتیک ایجاد شوند.
بهبود عملکرد سیب زمینی WBEEP
غده ها قسمتهای اصلی خوراکی گیاهان سیب زمینی هستند. غده زایی سیب زمینی یک فرایند بیولوژیکی پیچیده است. تنظیم کننده های کلیدی شامل گیرنده نوری فیتوکروم B (PHYB) ، فاکتور رونویسی StCO ، سیگنال های تلفن همراه (StBEL5 و POTH1 mRNA ، پروتئین StSP6A و miR172) ، و حمل کننده های ساکارز StSUT4 و StSP5G. بیان بیش از حد StSP6A, StPOTH1, StBEL5و StmiR172 یا مهار StPHYB, StCO, StSUT4و StSP5G می تواند برای بهبود بیماری سل انجام شود11به بهینه سازی فتوسنتز یکی از راههای اولیه برای افزایش عملکرد محصول است و غده سازی سیب زمینی همچنین به مقادیر زیادی از محصولات فتوسنتزی (به ویژه ساکارز) از قسمتهای فوقانی نیاز دارد. تلاشها برای افزایش بازده فتوسنتز از طریق بهبود ظرفیت کربوکسیلاسیون آنزیم روبیسکو ، افزایش ظرفیت بازسازی چرخه کاهش کربن ، بهینه سازی زنجیره انتقال الکترون و به حداقل رساندن اکسیژن رسانی و تنفس نوری ادامه دارد.12به بسیاری از استراتژی های فوق مهندسی ژنتیک برای بهبود کارایی فتوسنتز با موفقیت در برنج یا تنباکو به کار گرفته شده است و امیدوارم بتوان از آنها برای بهبود عملکرد سیب زمینی استفاده کرد. به عنوان مثال ، یک بای پس تنفسی مصنوعی ساخته شده از طریق بیان یک پلی پروتئین گلیکولات دهیدروژناز نوترکیب می تواند با کاهش تنفس نوری و بهبود CO ، کارایی فتوسنتز و عملکرد غده را به میزان قابل توجهی افزایش دهد.2 جذب به تازگی ، تعدیل RNA متر گیاه6متیلاسیون به روشی کارآمد برای بهبود رشد گیاه و عملکرد محصول تبدیل شده است. بیان تراریخته RNA دمتیلاز RNA انسان برای کاهش m6سطح سیب زمینی منجر به افزایش 50 درصدی عملکرد غده و زیست توده هوایی شد.
افزایش بهره وری مواد مغذی معدنی برای WBEEP-سیب زمینی
رشد و نمو محصول به عناصر معدنی زیادی از جمله نیتروژن ، فسفر و پتاسیم نیاز دارد. هزینه حمل کود از زمین بسیار زیاد است. بنابراین ، برای کاهش مصرف کود ، لازم است بهره وری مواد مغذی محصول بهبود یابد. اصلاح ژنتیکی را می توان برای افزایش جذب ، تخصیص و متابولیسم مواد مغذی گیاه یا بهینه سازی معماری ریشه انجام داد. نیتروژن یکی از مهمترین عناصر مورد نیاز گیاهان است. گلوتامات دهیدروژناز (GDHs) از ارگانیسم های پایین تر ، تمایل بیشتری برای NH نشان می دهد4+ و توانایی جذب آمونیاک قوی تر است. بیان هترولوگ GDH هایی که میل بیشتری به NH دارند4+ GDH های گیاهی می توانند کارایی مصرف نیتروژن بسیاری از محصولات ، از جمله سیب زمینی را بهبود بخشند و اطمینان حاصل کنند که محصولات می توانند در شرایط کم نیتروژن عملکرد بالایی داشته باشند. فسفر یکی دیگر از عناصر ضروری برای رشد گیاهان است و کودهای فسفیتی می توانند باعث افزایش عملکرد و کیفیت غده های سیب زمینی شوند. بیان فسفیت دهیدروژناز (ptxD) از جانب سودوموناس spp به برنج و پنبه اجازه می دهد فسفیت را علاوه بر فسفات متابولیزه کنند و نقش آن در سیب زمینی ارزش بررسی را دارد. سیب زمینی برای رشد و کیفیت به کود پتاسیمی بیشتری نسبت به کودهای نیتروژن یا فسفات نیاز دارد. بیان هترولوگ Arabidopsis K+ کانال AKT1 و فعال کننده های آن CBL1, CBL9و CIPK23 می تواند بازده جذب پتاسیم از خاک را در چندین محصول افزایش دهد و K را بیش از حد بیان کند+ حمل کننده HAK5 ممکن است بازده جذب پتاسیم را در بسیاری از محصولات تحت شرایط محدود پتاسیم افزایش دهد. اخیراً ، دستکاری ژنتیکی معماری سیستم ریشه به یک استراتژی نوظهور برای افزایش جذب مواد مغذی و عملکرد در محصولات غده تبدیل شده است ، اما ژن هایی که می توانند در سیب زمینی مورد بهره برداری قرار گیرند باید استخراج شوند.
چشم اندازهای آینده WBEEPs
آزمایشاتی برای نشان دادن چگونگی رشد و نمو گیاهان در فضا انجام شده است ، اما کشاورزی فضایی روشن در مراحل اولیه خود باقی مانده است. در حال حاضر فقط سبزیجات برگ سبز مانند کاهو و خردل در ایستگاه فضایی بین المللی برای غذا پرورش می یابند. بنابراین ، برای آوردن گیاهان بیشتر به مزارع فضایی ، ما روش WBEEP را برای بهبود محصول پیشنهاد می کنیم. یک WBEEP به طور جامع می تواند غذای کافی و مغذی برای انسان در فضا با حداقل مصرف کود فراهم کند. با آشکار شدن مکانیسم های بیوسنتز عوامل ضد تغذیه ای بیشتر و راهبردهایی برای بهبود تغذیه ، عملکرد و کارآیی مصرف کود ، رویکرد WBEEP می تواند در محصولات بیشتر اجرا شود. در حالی که کشت عملی WBEEPs در فضا برای غذا ممکن است به زودی قابل دستیابی نباشد ، ما پیشنهاد می کنیم که توجه به پیشرفت های افزایشی مورد نیاز برای دستیابی به چنین هدفی نه تنها برای کشاورزی فضایی بلکه برای کشاورزی معمولی نیز مفید خواهد بود.