DOI: https://doi.org/10.1016/j.stress.2026.101322
تاريخ النشر: 2026-02-28
المؤلف: Niranjan Ravindra Thakur وآخرون
الموضوع الرئيسي: كريسبر والهندسة الوراثية
نظرة عامة
تناقش هذه الفقرة الحاجة الملحة للحلول الزراعية المبتكرة في ضوء الزيادة السكانية العالمية المتوقعة إلى 9.7 مليار بحلول عام 2050، مما سيزيد من الطلب على أنظمة إنتاج الغذاء التي تهددها بالفعل تغيرات المناخ. تعيق أمراض المحاصيل، المدفوعة بمسببات الأمراض المختلفة، العائد بشكل كبير في المحاصيل الغذائية الأساسية. بينما أسفرت طرق التربية التقليدية عن بعض الأصناف المقاومة، إلا أنها غالبًا ما تكون بطيئة ومحدودة بالتنوع الجيني. يوفر ظهور تقنيات تحرير الجينوم CRISPR/Cas، بما في ذلك نوكليازات Cas، ومحررات القواعد، ومحررات البرايم، نهجًا سريعًا ودقيقًا لتعزيز مقاومة الأمراض في المحاصيل. تسهل هذه الطرق التعديلات المستهدفة مثل حذف جينات القابلية (S)، واستبدالات النيوكليوتيدات، وهندسة المحفزات، بينما تمكن أيضًا من تطوير محاصيل غير معدلة وراثيًا من خلال أنظمة توصيل ريبونوكليوبروتين (RNP) خالية من الحمض النووي.
تؤكد الخاتمة على الإمكانات التحويلية لتقنيات CRISPR/Cas في تعزيز الزراعة المستدامة وتعزيز الأمن الغذائي. من خلال استهداف جينات S لتحسين مناعة المحاصيل، يمكن أن تقلل هذه الأدوات من الاعتماد على المواد الكيميائية وتعزز الصحة البيئية. ومع ذلك، يتطلب التنفيذ الناجح لتقنيات CRISPR/Cas في الزراعة اعتبارات دقيقة للقضايا الأخلاقية والتنظيمية وإدراك الجمهور. يدعو المؤلفون إلى حوكمة شفافة ومشاركة عامة لبناء الثقة في المحاصيل المعدلة جينيًا. قد تتضمن التطورات المستقبلية دمج CRISPR/Cas مع نهج متعدد الأومكس والتربية المعتمدة على البيانات لتسريع تطوير المحاصيل ذات العائد العالي والمستدام بيئيًا، مما يساهم في النهاية في الأمن الغذائي العالمي ومرونة المناخ.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على القضية الملحة للأمن الغذائي العالمي، الذي يزداد تهديده بسبب تغير المناخ، ونمو السكان، والضغوط الحيوية وغير الحيوية المختلفة. مع توقع وصول عدد السكان العالمي إلى 9.7 مليار بحلول عام 2050، هناك حاجة لزيادة بنسبة 70% في إنتاج الغذاء مقارنة بمستويات 2005-2007 لتلبية الطلب. يهدف الهدف الثاني من أهداف التنمية المستدامة للأمم المتحدة إلى “صفر جوع”، مما يبرز الحاجة إلى الأمن الغذائي والممارسات الزراعية المستدامة. تؤكد الآثار السلبية لتغير المناخ على إنتاجية المحاصيل، بما في ذلك زيادة حالات الآفات والأمراض، على ضرورة تطوير أصناف مقاومة للضغوط الحيوية.
تناقش الورقة تطور استراتيجيات التربية، مع التركيز على أهمية فهم الآليات الجينية في تطوير المحاصيل المقاومة للأمراض. يتم التباين بين الطرق التقليدية، مثل التربية العكسية وتربية النسب، والنهج الحديثة في التكنولوجيا الحيوية، وخاصة تحرير الجينوم CRISPR/Cas. توفر هذه التكنولوجيا وسيلة فعالة من حيث التكلفة لتعزيز مقاومة المحاصيل، مما يقلل بشكل كبير من الوقت والاستثمار المالي المطلوب مقارنة بالطرق التقليدية المعدلة وراثيًا. تهدف المراجعة إلى استكشاف إمكانات أدوات CRISPR/Cas في تحسين مقاومة الأمراض في المحاصيل الغذائية الرئيسية، مع معالجة المخاوف المتعلقة بالتنوع البيولوجي وآثار ممارسات التربية الحديثة على التنوع الجيني.
نقاش
يسلط النقاش حول أنظمة CRISPR/Cas الضوء على دورها التحويلي في الهندسة الوراثية، وخاصة في تعزيز مقاومة الأمراض في المحاصيل الغذائية. يتكون نظام CRISPR/Cas من بروتينات Cas، التي تقطع الحمض النووي الغريب، ومجموعة CRISPR التي تعمل كذاكرة جزيئية للاصطدامات الفيروسية السابقة. تشمل المكونات الرئيسية RNA الموجه الفردي (sgRNAs) الذي يوجه Cas9 إلى مواقع جينومية محددة، حيث يكون المحفز المجاور (PAM) حاسمًا للتعرف على الهدف. أدت التقدمات الأخيرة إلى مشتقات مهندسة مثل محررات القواعد (BEs) ومحررات البرايم (PEs)، التي تسمح بتعديلات جينومية دقيقة دون التسبب في انكسارات مزدوجة الشريط (DSBs)، مما يحسن بشكل كبير من كفاءة ودقة التحرير.
علاوة على ذلك، يؤكد النقاش على تطوير أدوات تشخيصية مختلفة تعتمد على CRISPR للكشف السريع عن مسببات الأمراض، مثل SHERLOCK وDETECTR وHOLMES. تستفيد هذه الأنظمة من الخصائص الفريدة لبروتينات Cas للكشف عن الأحماض النووية، مما يوفر مزايا في السرعة والدقة والفعالية من حيث التكلفة مقارنة بالطرق التقليدية. على سبيل المثال، يستخدم SHERLOCK Cas13 للكشف عن RNA، بينما يستخدم DETECTR Cas12a للكشف عن DNA، وكلاهما يدمج تقنيات التضخيم المتساوي الحرارة. تبرز منصة iSCAN-OP لنهجها في رد الفعل في وعاء واحد، مما يحسن الاستخدام السريع في الحقول الزراعية. بشكل عام، لا تعزز هذه الابتكارات فهمنا لمناعة النباتات فحسب، بل توفر أيضًا حلولًا عملية لتحسين المحاصيل وإدارة الأمراض في الزراعة.
القيود
تسلط القيود المتعلقة بتقنية تحرير الجينوم CRISPR/Cas9، رغم تحولها في الزراعة، وخاصة في المحاصيل الرئيسية، الضوء على عدة مخاوف حرجة. على الرغم من دقتها وفعاليتها من حيث التكلفة، تظل التقدمات في الحبوب الثانوية مثل الدخن محدودة (Ceasar، 2022؛ Jadhav وآخرون، 2024؛ Papade وآخرون، 2025). تتطلب الآثار الأخلاقية والاجتماعية لتطبيقات CRISPR/Cas9 اتخاذ تدابير استباقية لمعالجة الرأي العام وضمان التنفيذ العادل. علاوة على ذلك، يمتد تأثير التكنولوجيا إلى ما هو أبعد من الإنتاجية الزراعية ليشمل التفاعلات البيئية والتنوع البيولوجي، مما يثير مخاوف كبيرة بشأن السلامة المتعلقة بالكائنات المعدلة وراثيًا (GMOs) وقبولها في المجتمع (Hirsch وآخرون، 2019؛ Rodriguez، 2016).
تسلط تحديات تحديد الكائنات المعدلة وراثيًا باستخدام CRISPR/Cas9 خارج البيئات المخبرية الضوء على الحاجة إلى أطر تنظيمية واضحة وتواصل عام شامل للتخفيف من المخاطر ومنع سوء التفسير. بالإضافة إلى ذلك، تثير قضية براءات الاختراع في هذا المجال معضلات أخلاقية تتعلق بالوصول والعدالة، مما يتطلب تشريعات شاملة تركز على الشفافية والمشاركة العامة. يعد النهج التعاوني الذي يشمل أصحاب المصلحة من مجالات مختلفة أمرًا ضروريًا لتطوير إطار عمل قوي للاستخدام المسؤول لتقنية CRISPR/Cas9، مما يضمن توازن التقدم العلمي مع الاعتبارات الأخلاقية والسلامة البيئية (Cathomen وآخرون، 2019؛ Otieno، 2015؛ Shinwari وآخرون، 2017).
DOI: https://doi.org/10.1016/j.stress.2026.101322
Publication Date: 2026-02-28
Author(s): Niranjan Ravindra Thakur et al.
Primary Topic: CRISPR and Genetic Engineering
Overview
The section discusses the urgent need for innovative agricultural solutions in light of the projected global population increase to 9.7 billion by 2050, which will intensify the demand for food production systems already threatened by climate change. Crop diseases, driven by various pathogens, significantly hinder yield in essential food crops. While traditional breeding methods have yielded some resistant cultivars, they are often slow and limited by genetic diversity. The emergence of CRISPR/Cas genome editing technologies, including Cas nucleases, base editors, and prime editors, offers a rapid and precise approach to enhance disease resistance in crops. These methods facilitate targeted modifications such as the knockout of susceptibility (S) genes, nucleotide substitutions, and promoter engineering, while also enabling the development of non-transgenic crops through DNA-free ribonucleoprotein (RNP) delivery systems.
The conclusion emphasizes the transformative potential of CRISPR/Cas technologies in promoting sustainable agriculture and enhancing food security. By targeting S genes to improve crop immunity, these tools can reduce chemical reliance and foster environmental health. However, the successful implementation of CRISPR/Cas in agriculture requires careful consideration of ethical, regulatory, and public perception issues. The authors advocate for transparent governance and public engagement to build trust in genome-edited crops. Future advancements may involve integrating CRISPR/Cas with multi-omics approaches and data-driven breeding to accelerate the development of high-yielding, environmentally sustainable crops, ultimately contributing to global food security and climate resilience.
Introduction
The introduction highlights the pressing issue of global food security, which is increasingly jeopardized by climate change, population growth, and various biotic and abiotic stresses. With the global population projected to reach 9.7 billion by 2050, a 70% increase in food production from 2005-2007 levels is necessary to meet demand. The United Nations’ Sustainable Development Goal 2 aims for ‘Zero Hunger,’ emphasizing the need for food security and sustainable agricultural practices. The adverse effects of climate change on crop productivity, including increased incidences of pests and diseases, underscore the urgency of developing biotic stress-resistant cultivars.
The paper discusses the evolution of breeding strategies, emphasizing the importance of understanding genetic mechanisms in developing disease-resistant crops. Traditional methods, such as backcross and pedigree breeding, are contrasted with modern biotechnological approaches, particularly CRISPR/Cas genome editing. This technology offers a cost-effective and efficient means to enhance crop resistance, significantly reducing the time and financial investment required compared to conventional transgenic methods. The review aims to explore the potential of CRISPR/Cas tools in improving disease resistance in major food crops, while also addressing concerns regarding biodiversity and the implications of modern breeding practices on genetic diversity.
Discussion
The discussion on CRISPR/Cas systems highlights their transformative role in genetic engineering, particularly in enhancing disease resistance in food crops. The CRISPR/Cas system consists of Cas proteins, which cleave foreign DNA, and a CRISPR array that serves as a molecular memory of past viral encounters. Key components include single guide RNAs (sgRNAs) that direct Cas9 to specific genomic sites, with the protospacer adjacent motif (PAM) being crucial for target recognition. Recent advancements have led to engineered derivatives like base editors (BEs) and prime editors (PEs), which allow precise genomic modifications without inducing double-strand breaks (DSBs), significantly improving editing efficiency and specificity.
Furthermore, the discussion emphasizes the development of various CRISPR-based diagnostic tools for rapid pathogen detection, such as SHERLOCK, DETECTR, and HOLMES. These systems leverage the unique properties of Cas proteins for nucleic acid detection, offering advantages in speed, accuracy, and cost-effectiveness compared to traditional methods. For instance, SHERLOCK utilizes Cas13 for RNA detection, while DETECTR employs Cas12a for DNA detection, both integrating isothermal amplification techniques. The iSCAN-OP platform stands out for its one-pot reaction approach, optimizing for rapid agricultural field use. Overall, these innovations not only enhance our understanding of plant immunity but also provide practical solutions for crop improvement and disease management in agriculture.
Limitations
The limitations of the CRISPR/Cas9 gene editing technology, while transformative in agriculture, particularly in major crops, highlight several critical concerns. Despite its precision and cost-effectiveness, advancements in minor cereals like millets remain limited (Ceasar, 2022; Jadhav et al., 2024; Papade et al., 2025). The ethical and social implications of CRISPR/Cas9 applications necessitate proactive measures to address public opinion and ensure equitable implementation. Furthermore, the technology’s impact extends beyond agricultural productivity to encompass ecological interactions and biodiversity, raising significant safety concerns regarding genetically modified organisms (GMOs) and their acceptance in society (Hirsch et al., 2019; Rodriguez, 2016).
The challenge of identifying CRISPR/Cas9-modified organisms outside laboratory settings underscores the need for clear regulatory frameworks and thorough public communication to mitigate risks and prevent misinterpretation. Additionally, the issue of patenting in this domain poses ethical dilemmas related to access and justice, necessitating comprehensive legislation that emphasizes transparency and public engagement. A collaborative approach involving stakeholders from various fields is essential to develop a robust framework for the responsible use of CRISPR/Cas9, ensuring that scientific advancements are balanced with ethical considerations and ecological safety (Cathomen et al., 2019; Otieno, 2015; Shinwari et al., 2017).