الهدف 3: تطوير تطبيقات القرن الحادي والعشرين لعلوم النبات لتحسين التغذية والصحة والرفاهية
تؤثر النباتات والميكروبات المرتبطة بها ومنتجاتها على صحة الإنسان ؛ توفير الراحة من خلال المأوى والملبس والترفيه ؛ وإضفاء الجمال الجمالي والقيمة على محيطنا. لا ينبغي للعلماء التغاضي عن فوائد النباتات هذه لأننا نستفيد من المعلومات والأفكار والأدوات التي يقودها إنتاج الغذاء أو البحوث البيئية واسعة النطاق. في الواقع ، كمجال يعاني من نقص مزمن في الموارد لعلوم النظم النباتية ، التقوية البيولوجية للتغذية البشرية (تشووآخرون. ، 2020) ، والتطبيقات العلاجية (تشان ودانييل ، 2015؛ روزاليس - ميندوزا ، أنجولو ، ميزا ، 2016) والاستخدام من النباتات لتحسين الرفاهية (هالر ، كينيدي ، وكابرا ، 2019) تقدم أهدافًا جذابة للمخاطر / المكافآت وعائدًا محتملاً مرتفعًا على الاستثمار.
القيمة الغذائية للنبات
هناك مجالان ذات إمكانات عالية يتآزران مع الهدف 2: تحديد مصادر نباتية جديدة لتحسين التغذية وزيادة المحتوى الغذائي للمحاصيل الحالية. كانت الأساليب المستخدمة في صنع الأرز الذهبي تمثل تجربة علمية في ذلك الوقت ، (ريجيس، 2019) ولكن الأدوات الحالية والناشئة أكثر دقة بكثير (دونغ وآخرون ، 2020) ويمكنها الاستفادة من المعرفة والنمذجة المحسنة كثيرًا من مسارات التمثيل الغذائي. على سبيل المثال ، تم استخدام الهندسة الكيميائية الحيوية لإثراء الطماطم من أجل تحسين الفوائد الصحية للمستهلكين (بوتيلي وآخرون ، 2008؛ تشانغ وآخرون. ، 2015). ومع ذلك ، فإن الدرس الرئيسي المستفاد من الأرز الذهبي هو أن علم النبات المتميز وحده لا يكفي لتحقيق تأثير مجتمعي إيجابي: يجب أيضًا أن تقترن الإنجازات البحثية بالجهود المبذولة لتحسين آفاق التسويق وقبول المستهلك (نابير ، هاسلام ، تسالافوتا ، وسايانوفا ، 2019). تبدأ هذه الجهود بتكييف مثل هذا البحث مع مجتمعات وثقافات المستفيدين المستهدفين والعمل مع الوكالات التنظيمية داخل البلد لتحسين تقييم المخاطر المستند إلى العلم باستمرار.
هناك مجال آخر عالي الإمكانات وهو تعميق فهمنا لما يمكن أن توفره العلاجات وغيرها من المستقلبات المتخصصة المفيدة والنباتات والكائنات الحية المرتبطة بها ؛ أحد الأمثلة على ذلك هو إنتاج مادة الأرتيميسينين في البيولوجيا التركيبية ، وهو علاج عشبي صيني قديم ، كعلاج للملاريا (إكرام وسيمونسن ، 2017 ؛ بيبلو ، 2016). أنتج عالي (أتاناسوف وآخرون ، 2015) لمركبات النبات باكليتاكسيل (دواء السرطان تاكسول ؛ ؛مسيلروي وآخرون. ، 2018 ؛ روينسكي ودونهاور ، 1995) ، ولكن هناك حاجة لتطوير أدوات الفحص بدقة أعلى بكثير وإنتاجية لعلوم الصحة والتطبيقات الأخرى. يمكن أيضًا توقع تطورات جديدة من التحقيقات حول كيفية مساهمة الكائنات الحية المرتبطة بالنبات ، وخاصة الميكروبات ، في الأنماط الظاهرية الأيضية للنبات والتأثير عليها. على سبيل المثال ، قد تعتمد فعالية بعض العلاجات العشبية على ارتباطات الميكروبات النباتية المضيفة (هوانغ ، لونغ ، & لام ، 2018).لتبني هذه المنتجات الجديدة بنجاح ، هناك حاجة إلى فهم أعمق للطريقة التي تؤثر بها العوامل الوراثية والبيئية على استجابات البشر للمنتجات النباتية والميكروبية. تتعلق الحدود البعيدة بالعوامل التي تؤثر على استجابات الأفراد لمنتجات نباتية معينة. يمكن أن يؤدي هذا الفهم إلى شكل من أشكال الطب الطبيعي الدقيق الذي يحسن الحياة في جميع أنحاء العالم - على سبيل المثال ، من خلال توفير الأدوية للبكتيريا المقاومة للأدوية المتعددة (ديتويلر وآخرون ، 2019).أخيرًا ، لا تزال إمكانية التأثير بشكل إيجابي على النظم الإيكولوجية من خلال المناظر الطبيعية في البيئات الحضرية غير مستغلة إلى حد كبير. يمكن أن تدعم الاستثمارات في البنية التحتية الخضراء التنوع البيولوجي للحشرات ، وتوفر الموائل للأنواع المهددة بالانقراض ، وتقليل جريان مياه الأمطار ، وتقليل مدخلات المياه والمغذيات من خلال ممارسات الزراعة المستدامة والمناظر الطبيعية المدارة (كونواي ، الماس ،& كور ، 2019 ؛ بلانشويلو ، فون دير ليبي ،& الكواريك ، 2019 ؛سوباكيتبيزارن ، ، لارسن ، وسوليفان ، 2019 ؛ تشاو ، ساندر ، وهيندريكس ، 2019).يمكن أيضًا استخدام النباتات لتحسين صحة الإنسان من خلال إنشاء مساحات ترفيهية ، والمعالجة الحيوية للأراضي الحضرية (سانشيز - هيرنانديز ، 2019) ، وتحسين التغذية وتقليل الصحاري الغذائية من خلال الزراعة الحضرية (على سبيل المثال ، الزراعة العمودية) ، والتي يمكن أن تتوسع مع الانتباه إلى تحسين الاقتصاد واستخدام الطاقة. ستساعد زيادة تعرض سكان الحضر للنباتات وبيولوجيتها في المنازل والمدارس وبرامج ما بعد المدرسة وعبر البيئة المبنية على تحسين الوعي بالنبات وإثارة الاهتمام بوظائف علوم النبات (الهدف 6).
تقاطع مع قطاعات أخرى
لجميع هذه الأهداف ، ستكون الشراكات الوثيقة مع التخصصات الأخرى والمستخدمين النهائيين جزءًا لا يتجزأ من النجاح. على سبيل المثال ، سيحتاج علماء الأغذية والطب إلى إنشاء وتنفيذ طرق جديدة لتقييم والتحقق من الفوائد الغذائية والعلاجية للمنتجات النباتية ، بما في ذلك سبب استهداف هذه المنتجات لمجموعات سكانية محددة مقابل عامة السكان. هناك حاجة أيضًا إلى طرق محسنة لتقدير المعالجة البيولوجية البيئية المحتملة والفعلية. علاوة على ذلك ، إذا كان للمجتمع أن يستفيد استفادة كاملة من اكتشافاتنا ، فيجب إشراك الاقتصاديين البيئيين ومهندسي المناظر الطبيعية والمخططين الحضريين وعلماء الاجتماع في المحادثة لتقييم الفوائد وتعزيز تبنيها من قبل المنتجين والمستهلكين.
خطة العمل: الهدف 3
تطوير أدوات جديدة عالية الإنتاجية لتقييم المنتجات النباتية من حيث قدرتها على تعزيز صحة الإنسان والتغذية والرفاهية. سيتم تطبيق هذه الأدوات على شاشات استراتيجية للنباتات والكائنات الحية المرتبطة بها لتحديد فرص الاستثمار في المستقبل. تطوير فهم شامل للمكونات الجينية والتطورية والبيئية لكيفية إضفاء الجزيئات المشتقة من أنظمة النبات على سمات مفيدة أو غير مؤاتية. يجب تكوين شراكات مع الاقتصاديين البيئيين لتطوير مقاييس لتقدير خدمات النظام البيئي والفوائد الترفيهية والفوائد البيئية الأخرى. أشرك علماء الصيدلة وعلماء النبات الطبيين والشعوب الأصلية وعلماء التغذية والأغذية لفهم عمليات التمثيل الغذائي البشري وتحديد أهداف المركبات الطبية النباتية (بني ، لوند ، & مورش ، 2017 ؛بان وآخرون. ، 2013). تحديد التحسينات الصحية التي يمكن تحقيقها والتي يمكن أن تأتي من أنظمة النباتات المحسنة من خلال التعديل والتربية. تطوير تقنيات لتحسين الصحة والرفاهية وتقليل الآثار البيئية في البيئات ذات الكثافة السكانية العالية من خلال تعزيز الغابات الحضرية ، وإعادة التحريج وفرص التخضير ، والمعالجة الحيوية ، والزراعة الحضرية ، والحفاظ على البيئة.
الهدف 4: إطلاق المصنع الشفاف ، أداة تفاعلية لتمييز الآليات وحل المشكلات العاجلة والمربكة
يجب أن تستشعر الأنظمة النباتية وتستجيب للمحفزات الداخلية والخارجية اللحظية ، والتغيرات التي يمكن أن تكون دقيقة مثل تحرك الشمس خلف سحابة أو دراماتيكية مثل تساقط الثلوج غير الموسمي. للبقاء على قيد الحياة والتكاثر بنجاح في بيئة معينة ، يجب أن تدمج النباتات باستمرار مدخلات متعددة وتنتج استجابات سريعة ومناسبة تنظم تدفق المياه وإجراءات الدفاع والنمو. يمكن أن تؤدي الاستجابات الغائبة أو غير الملائمة إلى الانقراض ، في حين أن الاستجابات الناجحة المفرطة يمكن أن تؤدي إلى الغزو. يضيف تقلب المناخ بعدًا آخر لأهمية هذه الاستجابات. تؤكد هذه النتائج الدراماتيكية على أهمية تشريح استجابات النباتات المعقدة على مستويات من الفرد إلى السكان ؛ يتناول الهدف 4 نهجًا حسابيًا للقرن الحادي والعشرين لتحقيق ذلك بالضبط.
أداة النبات الشفافة
نتصور المحطة الشفافة كأداة للتصور التفاعلي والاستعلام ، وطريقة رقمية لوصف النبات ومكوناته ، مما يدعم في النهاية إنشاء مصانع مصممة ومستقلة. تعتمد قدرتها على النمذجة والمحاكاة على مكونين: معلومات شاملة عن خصائص المصنع (قائمة الأجزاء) والبرمجيات التي ، على أساس تلك المعلومات ، يمكنها التنبؤ بسلوك المصنع عند تبادل الأجزاء الفردية أو تعديلها. يعتمد تصميم طائرة أو سيارة ، على سبيل المثال ، أيضًا على مجموعة من المعرفة بالمكونات والمبادئ الهندسية. في حالة النباتات ، تشمل قائمة الأجزاء مجموعات البيانات الجينومية ، والنسخة ، والبروتينية ، والكيميائية الحيوية ، والبيولوجية الخلوية ، والفينومية. تُشتق المبادئ الهندسية من التجارب التجريبية ، باستخدام كل من الأنظمة التجريبية الحالية وتلك التي تم إنشاؤها كجزء من الهدف 1. يمكن استخدام البيانات التي تم إنشاؤها كجزء من الهدف 1 ، بدورها ، للتحقق من صحة التنبؤات التي يقوم بها المصنع الشفاف ، مما يسمح بإجراء تحسينات تكرارية في قدراتها التنبؤية.
لماذا هذه الأداة مطلوبة للتنبؤ بكيفية تصرف النباتات؟ أحد الأسباب هو أن بعض الأسئلة طويلة الأمد معقدة للغاية بحيث لا يمكن تطوير مناهج تجريبية مستقلة عن الآلة. على سبيل المثال ، ما هي القواعد التي يقوم عليها تنويع النباتات؟ كيف تشكل النباتات بيئتها النباتية - أي بيئتها ، بما في ذلك جميع الميكروبات والكائنات الحية الدقيقة التي تتفاعل معها - وكيف تتشكل من البيئة المحيطة بها؟ هناك أيضًا أسئلة أساسية غامضة حول معماريات النباتات ، وهي متنوعة بشكل رائع ؛ من الصبار إلى النباتات البحرية إلى الأنواع المستأنسة إلى أشجار الخشب الأحمر ، يُفترض أن هذه البنى تطورت لتسهيل النمو ونقل المياه والمغذيات والنجاح في التكاثر.
ستساعدنا المحطة الشفافة على فهم هذه الآليات وتوجيه جهودنا لتطبيق تلك المعرفة. على سبيل المثال ، عندما يتم تحسين الأداة ، يمكن استخدامها لعمل تنبؤات حول كيفية تصرف النباتات عند الاضطراب في ظل الجفاف أو الإجهاد الغذائي المحدد ، أو كيف يمكن للتدخلات الجينية أو الكيميائية الحيوية أن تعزز صحة النبات. في حالة ظهور أحد مسببات الأمراض ، قد يقترح النبات الشفاف أهدافًا سريعة للتخفيف من انتشار المرض أو شدته. سيكون التطوير الكامل للمصنع الشفاف تحديًا شاقًا ، ويمتد إلى ما بعد الإطار الزمني البالغ 10 سنوات لهذه الوثيقة ، ولكنه سيعزز أيضًا المجتمع من خلال توفير منصة للتعاون العميق والملتزم والتخصيب المتبادل بين التخصصات داخل وخارج علم النبات .
يمكن بناء قوائم أجزاء النبات الشفافة بشكل تكراري لعمليات متعددة الأوجه مثل التمثيل الضوئي ، ونقل المياه ، والتنقل بين الجذور عبر التربة ، والمناعة. يجب أن يتم في يوم من الأيام دمج هذه الأنظمة والعمليات المعيارية في مصنع كامل ونظام بيئي ونطاق عالمي. في العقد القادم ، يجب أن ينصب التركيز على دمج البيانات من المستوى الذري - بما في ذلك طبيعة المستقبلات والمواقع التحفيزية وتفاعلات الحمض النووي - إلى المستوى الجزيئي ، والأيضي ، والخلوي ، والعضو ، بما في ذلك الميكروبيوم. يمكن أن تكون النتيجة النهائية هي استقلالية النبات هندسياً: قدرة النبات على الازدهار في ظروف كانت ستؤدي لولا ذلك إلى ضعف الأداء أو زواله.
جينوم النبات الشفاف
إطار عمل أداة النبات الشفاف عبارة عن كتالوج مشروح لعشرات الآلاف من الجينات النباتية المتنوعة بين جميع الأنواع ، وهو توسع حديث في كتالوج وظائف الجينات الأساسية المتصور أصلاً في مبادرة أرابيدوبسيس 2010 (سومرفيل ودانجل ، 2000). نحن ندعم مشروع الجينوم الحيوي للأرض(إكسبوزيتو - ألونسو ودروست وبوربانو وويجل ،2019) ، هذا إلى تسلسل الجينوم للعديد من الأنواع حقيقية النواة الموجودة أو جميعها ، والتي أصبحت ممكنة بفضل التكنولوجيا الجديدة وبتكلفة منخفضة. ومع ذلك ، فإن معلومات التسلسل ليست سوى بداية البصيرة البيولوجية: يجب اكتساب المعرفة المتعلقة بهذه الجينات ، بما في ذلك تنظيمها ، وكيفية تأثيرها على التمثيل الغذائي ، وكيفية تفاعلها. من خلال دمج البيانات التي تم جمعها من خلال التجريب مع تحليل البيانات الوصفية باستخدام أدوات التعلم الآلي (فالينزويلا - إسكارسيغا وآخرون ، 2018)، سنكون قادرين على تطوير "عقل" المصنع الشفاف ، والذي سيكون أساس استعلامه ووظائفه التنبؤية (الهدف 8) ). يتمثل التحدي الأساسي في فهم أدوار الجينات التي لها أدوار فردية دقيقة ولكنها مجتمعة أدوار أساسية في تكوين السمات (بويل ، لي ، وبريتشارد ، 2017). الأساليب الموثوقة لدراسة هذه الجينات لا تزال في مهدها.
لن يعتمد ذكاء المصنع الشفاف على حجم المعلومات فحسب ، بل سيعتمد أيضًا على دقته. يجب علينا تحسين كيفية قياس وتحليل استجابات النبات للتغيرات البيئية على المستويين الجزيئي والفسيولوجي (بعض الأجهزة المطلوبة ، بما في ذلك أجهزة الاستشعار ، موصوفة في الهدف 7). على الرغم من أن مصطلح "أجهزة الاستشعار" غالبًا ما يشير إلى الأجهزة التي تقيس المعلمات البيئية ، وحجم النبات وشكله ، أو عمليات مثل التمثيل الضوئي ، يمكن أن توفر أجهزة الاستشعار الحيوية المشفرة وراثيًا تتبعًا في الوقت الفعلي للحركة الجزيئية ، والإبلاغ عن تركيزات المواد الكيميائية مثل الكالسيوم أو النشا ، و تقديم ملاحظات قابلة للمراقبة حول الأحداث التنموية داخل المصنع (أورين ،جيلان ،شنابل ، & دونغ ، 2017).
Post A Comment: