DOI: https://doi.org/10.3389/fgeed.2025.1524767
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40129518
تاريخ النشر: 2025-03-10
المؤلف: R. L. Chavhan وآخرون
الموضوع الرئيسي: كريسبر والهندسة الوراثية
نظرة عامة
تقدم هذه القسم نظرة عامة على تأثير تغير المناخ على غلات المحاصيل العالمية وأمن الغذاء، مع تسليط الضوء على التحديات التي تطرحها ارتفاع درجات الحرارة، والأمطار غير المنتظمة، والضغوط غير الحيوية مثل الجفاف، والحرارة، والملوحة. ويؤكد على دور تقنيات تحرير الجينات، وخاصة CRISPR/Cas9، ومحررات القواعد، ومحررات البرايم، في تعزيز مرونة المحاصيل. تسمح هذه التقنيات بإجراء تعديلات دقيقة على الحمض النووي للنبات، مما يمكّن من تحسين الصفات المتعلقة بتحمل الضغوط، وتطوير الجذور، وكفاءة استخدام المياه، والصحة العامة للنبات. تم تحديد الجينات التنظيمية الرئيسية المعنية في استجابات الضغوط، مثل DREB، وHSP، وNHX، كأهداف لتعزيز تحمل المحاصيل.
تؤكد الخاتمة على إمكانيات تقنيات تحرير الجينوم في تعديل جينات المنظمين الإيجابيين، وبالتالي تطوير أصناف المحاصيل التي يمكن أن تتحمل بشكل أفضل التحديات المتعلقة بالمناخ. تدعو إلى نهج شامل يتضمن التنظيم الجيني، والعمليات التي تتوسطها RNA الصغيرة، وتفاعلات النبات مع الميكروبيوم لضمان الاستفادة الكاملة من هذه التقنيات لضمان الأمن الغذائي العالمي في ظل الظروف البيئية المتغيرة. على الرغم من وعد تحرير الجينات، تشير المراجعة إلى أن التحديات مثل التأثيرات غير المستهدفة، وطرق التسليم، والعقبات التنظيمية يجب معالجتها لتحقيق إمكاناتها الكاملة في الزراعة المستدامة.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على التحديات الحرجة التي تطرحها زيادة السكان العالمية وتغير المناخ على الأمن الغذائي. تشير إلى أن انبعاثات غازات الدفيئة المتزايدة من المتوقع أن تزيد متوسط درجات الحرارة العالمية بمقدار 2 درجة مئوية بحلول عام 2100، مما يؤدي إلى خسائر اقتصادية كبيرة في الزراعة وإنتاج الغذاء (Scafetta، 2024؛ عبد الرحمن وآخرون، 2021). يقدم تغير المناخ ضغوطًا غير حيوية مثل الملوحة، والجفاف، وتقلبات درجات الحرارة، والتي تؤثر سلبًا على فسيولوجيا المحاصيل، وتقلل الإنتاجية، وتهدد الأمن الغذائي العالمي. بالإضافة إلى ذلك، فإنه يعطل تجمعات الميكروبات في التربة ووظائفها الإنزيمية، خاصة في المناطق الجافة، بينما يغير أيضًا العمليات الفسيولوجية والتمثيلية للنبات، مما يزيد من خطر غزو الآفات وأمراض النباتات (Cooper وآخرون، 2018؛ عبد الرحمن وآخرون، 2021).
استجابةً لهذه التحديات، تؤكد المقدمة على الحاجة إلى حلول مبتكرة لتطوير محاصيل مرنة قادرة على تحمل الظروف البيئية القاسية. تُقدم تقنيات تحرير الجينات، بما في ذلك CRISPR/Cas9، ونوكليازات المحفزات الشبيهة بالنسخ (TALENs)، ونوكليازات الأصابع الزنك (ZFNs)، ومحررات القواعد، كأدوات واعدة لتحسين المحاصيل (Biswas وآخرون، 2021). تمكن هذه التقنيات من إجراء تعديلات جينية دقيقة، مما يسهل تطوير محاصيل ذات صفات محسنة مثل زيادة الغلة، ومقاومة الآفات والأمراض، وزيادة المرونة تجاه الضغوط البيئية. يتم التأكيد على إمكانيات تحرير الجينات في معالجة التحديات الزراعية العالمية، خاصة في تعزيز المرونة المناخية، والمحتوى الغذائي، والإنتاجية، ودورات التربية (أحمد أ. وآخرون، 2021؛ Biswas وآخرون، 2021؛ كومار وآخرون، 2017).
طرق
تناقش هذه القسم الطرق الناشئة لتسليم CRISPR بكفاءة في أنظمة النباتات، مع التأكيد على الحاجة إلى التغلب على التحديات التي تطرحها الهياكل الخلوية للنبات، مثل جدران الخلايا الصلبة والمناظر الجينومية المعقدة. يقوم الباحثون بالتحقيق في استراتيجيات تسليم غير فيروسية متنوعة، بما في ذلك الأساليب المعتمدة على تكنولوجيا النانو التي تستخدم الجسيمات النانوية غير العضوية، وأنابيب الكربون النانوية، والليبوزومات، والجسيمات النانوية المعتمدة على البروتينات والببتيدات. تقدم هذه الطرق مزايا مثل تقليل الاستجابات المناعية وانخفاض السمية الخلوية، مما يجعلها جذابة للتعديل الجيني (Alghuthaymi وآخرون، 2021).
بالإضافة إلى ذلك، يتم تسليط الضوء على تسليم الناقلات الفيروسية، وخاصة تحرير الجينوم المستحث بالفيروس (VIGE)، كطريقة متطورة تستخدم الفيروسات النباتية لتسهيل التحرير عالي الكفاءة وتوليد نباتات معدلة جينيًا خالية من الحمض النووي، مما يعزز المقاومة الحيوية (Uranga وDaròs، 2022؛ Zhang C. وآخرون، 2022). كما اكتسب تسليم البروتينات الريبية (RNP) زخمًا، حيث يوفر بديلاً أكثر أمانًا للطرق المعتمدة على البلازميد من خلال تقليل مخاطر دمج الجينات الغريبة والتأثيرات غير المستهدفة، مع نجاح مثبت عبر أنواع نباتية متنوعة (Zhang Y. وآخرون، 2022؛ Zhang وآخرون، 2019). تظل التقنيات التقليدية، مثل التحويل بواسطة Agrobacterium وقصف الجسيمات، ذات صلة ولكن يتم تحسينها لتكون أكثر قابلية للتطبيق وعمليات تسليم مستقلة عن النمط الجيني (Laforest وNadakuduti، 2022؛ Ghogare وآخرون، 2021؛ González وآخرون، 2021). على الرغم من التقدم، لا تزال التحديات قائمة في إنشاء آليات تسليم CRISPR فعالة عالميًا، مع تركيز الأبحاث المستقبلية على تعزيز الدقة والكفاءة في تحرير جينوم النباتات (Laforest وNadakuduti، 2022؛ Nadakuduti وEnciso-Rodríguez، 2021؛ Erdoğan وآخرون، 2023).
مناقشة
تتناول قسم المناقشة في ورقة البحث التقدمات والتطبيقات المختلفة لتقنيات تحرير الجينات، مع التركيز بشكل خاص على CRISPR/Cas9، وتحرير القواعد، وتحرير البرايم. يُعتبر CRISPR/Cas9، الذي تم اكتشافه في البداية في *Escherichia coli*، نظام مناعي تكيفي قوي في البكتيريا، يستخدم توجيه RNA لقص الحمض النووي الغريب. يتم تصنيف النظام إلى الفئة 1 والفئة 2، حيث تُعتبر الأنظمة من النوع الثاني، التي تستخدم بشكل رئيسي بروتين Cas9، الأكثر استخدامًا في تحرير الجينوم. تتضمن الآلية تشكيل مركب ريبونوكليوبروتين يستهدف بدقة ويقص الحمض النووي مزدوج الشريطة عند تسلسلات معينة، مما يمكّن من حذف الجينات أو تعديلها من خلال مسارات إصلاح الخلايا. لقد أظهرت هذه التقنية إمكانيات كبيرة في التكنولوجيا الحيوية الزراعية، مما أدى إلى تطوير محاصيل ذات صفات محسنة، مثل مقاومة الأمراض وزيادة المحتوى الغذائي.
يمثل تحرير القواعد وتحرير البرايم ابتكارات إضافية في تحرير الجينوم، مما يسمح بإجراء استبدالات نوكليوتيد دقيقة دون التسبب في انكسارات مزدوجة الشريطة. يستخدم تحرير القواعد إنزيمات مخصصة لتحويل نوكليوتيدات معينة، بينما يجمع تحرير البرايم بين Cas9 nickase مع النسخ العكسي لتسهيل التعديلات المستهدفة. تقدم كلا الطريقتين مزايا على CRISPR/Cas9 التقليدي، بما في ذلك تقليل التأثيرات غير المستهدفة والقدرة على إدخال مجموعة أوسع من التغييرات الجينية. على الرغم من وعدها، لا تزال التحديات مثل كفاءة التسليم والتحسين عبر أنواع نباتية متنوعة قائمة. توفر التقنيات الناشئة مثل Fanzors وTnpB طرقًا إضافية لتحرير الجينوم بدقة، مما يبرز التطور المستمر وتوسع الأدوات المتاحة للبحث الجيني وتحسين المحاصيل. بشكل عام، تؤكد هذه التقدمات على التأثير التحويلي لتقنيات تحرير الجينات في معالجة تحديات الأمن الغذائي العالمي وتعزيز الإنتاجية الزراعية.
DOI: https://doi.org/10.3389/fgeed.2025.1524767
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40129518
Publication Date: 2025-03-10
Author(s): R. L. Chavhan et al.
Primary Topic: CRISPR and Genetic Engineering
Overview
The section provides an overview of the impact of climate change on global crop yields and food security, highlighting the challenges posed by rising temperatures, erratic rainfall, and abiotic stresses such as drought, heat, and salinity. It emphasizes the role of gene editing technologies, particularly CRISPR/Cas9, base editors, and prime editors, in enhancing crop resilience. These technologies allow for precise modifications of plant DNA, enabling improvements in traits related to stress tolerance, root development, water use efficiency, and overall plant health. Key regulatory genes involved in stress responses, such as DREB, HSP, and NHX, are identified as targets for enhancing crop tolerance.
The conclusion underscores the potential of genome editing technologies to modulate positive regulator genes, thereby developing crop varieties that can better withstand climate-related challenges. It advocates for a comprehensive approach that includes epigenetic regulation, small RNA-mediated processes, and plant-microbiome interactions to fully leverage these technologies for ensuring global food security amidst changing environmental conditions. Despite the promise of gene editing, the review notes that challenges such as off-target effects, delivery methods, and regulatory hurdles must be addressed to realize their full potential in sustainable agriculture.
Introduction
The introduction highlights the critical challenges posed by global population growth and climate change to food security. It notes that rising greenhouse gas emissions are expected to increase average global temperatures by 2 °C by 2100, leading to significant economic losses in agriculture and food production (Scafetta, 2024; Abdelrahman et al., 2021). Climate change introduces abiotic stresses such as salinity, drought, and temperature fluctuations, which adversely affect crop physiology, reduce productivity, and threaten global food security. Additionally, it disrupts soil microbial populations and their enzymatic functions, particularly in arid regions, while also altering plant physiological and metabolic processes, thereby increasing the risk of pest invasions and plant diseases (Cooper et al., 2018; Abdelrahman et al., 2021).
In response to these challenges, the introduction emphasizes the need for innovative solutions to develop resilient crops capable of withstanding extreme environmental conditions. Gene editing technologies, including CRISPR/Cas9, transcription activator-like effector nucleases (TALENs), zinc finger nucleases (ZFNs), and base editors, are presented as promising tools for crop improvement (Biswas et al., 2021). These techniques enable precise genetic modifications, facilitating the development of crops with enhanced traits such as increased yield, pest and disease resistance, and improved resilience to environmental stresses. The potential of gene editing to address global agricultural challenges is underscored, particularly in enhancing climate resilience, nutritional content, yield, productivity, and breeding cycles (Ahmad A. et al., 2021; Biswas et al., 2021; Kumar et al., 2017).
Methods
The section discusses emerging methods for efficient CRISPR delivery in plant systems, emphasizing the need to overcome challenges posed by plant cellular structures, such as rigid cell walls and complex genomic landscapes. Researchers are investigating various non-viral delivery strategies, including nanotechnology-based approaches utilizing inorganic nanoparticles, carbon nanotubes, liposomes, and protein- and peptide-based nanoparticles. These methods offer advantages like reduced immunogenic responses and lower cytotoxicity, making them appealing for genetic modification (Alghuthaymi et al., 2021).
Additionally, viral vector delivery, particularly virus-induced genome editing (VIGE), is highlighted as a sophisticated method that employs plant RNA viruses to facilitate high-efficiency editing and the generation of DNA-free gene-edited plants, enhancing biotic resistance (Uranga and Daròs, 2022; Zhang C. et al., 2022). Ribonucleoprotein (RNP) delivery has also gained traction, providing a safer alternative to plasmid-based methods by minimizing risks of transgene integration and off-target effects, with demonstrated success across various plant species (Zhang Y. et al., 2022; Zhang et al., 2019). Traditional techniques, such as Agrobacterium-mediated transformation and particle bombardment, remain relevant but are being optimized for broader applicability and genotype-independent delivery (Laforest and Nadakuduti, 2022; Ghogare et al., 2021; González et al., 2021). Despite advancements, challenges persist in establishing universally efficient CRISPR delivery mechanisms, with future research focusing on enhancing precision and efficiency in plant genome editing (Laforest and Nadakuduti, 2022; Nadakuduti and Enciso-Rodríguez, 2021; Erdoğan et al., 2023).
Discussion
The discussion section of the research paper elaborates on the advancements and applications of various gene editing technologies, particularly focusing on CRISPR/Cas9, base editing, and prime editing. CRISPR/Cas9, initially discovered in *Escherichia coli*, serves as a powerful adaptive immune system in bacteria, utilizing RNA guidance to cleave foreign DNA. The system is categorized into Class 1 and Class 2, with Type II systems, which predominantly use the Cas9 protein, being the most widely employed for genome editing. The mechanism involves the formation of a ribonucleoprotein complex that precisely targets and cleaves double-stranded DNA at specific sequences, enabling gene knockout or modification through cellular repair pathways. The technology has demonstrated significant potential in agricultural biotechnology, leading to the development of crops with enhanced traits, such as disease resistance and improved nutritional content.
Base editing and prime editing represent further innovations in genome editing, allowing for precise nucleotide substitutions without inducing double-strand breaks. Base editing utilizes engineered deaminases to convert specific nucleotides, while prime editing combines a Cas9 nickase with reverse transcriptase to facilitate targeted modifications. Both methods offer advantages over traditional CRISPR/Cas9, including reduced off-target effects and the ability to introduce a wider range of genetic changes. Despite their promise, challenges such as delivery efficiency and optimization across diverse plant species remain. Emerging technologies like Fanzors and TnpB provide additional avenues for precise genome editing, highlighting the ongoing evolution and expansion of tools available for genetic research and crop improvement. Overall, these advancements underscore the transformative impact of gene editing technologies in addressing global food security challenges and enhancing agricultural productivity.