DOI: https://doi.org/10.1007/s44154-025-00278-x
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41495569
تاريخ النشر: 2026-01-07
المؤلف: Liangjie Niu وآخرون
الموضوع الرئيسي: تركيب الغذاء وخصائصه
نظرة عامة
يتناول هذا القسم من ورقة البحث الدور الحاسم للنشا كمكون تخزين في النباتات و susceptibility لتغير المناخ، وخاصة الجفاف ودرجات الحرارة العالية، التي تؤثر سلبًا على تخليق النشا والعائد والجودة. يؤكد المؤلفون على إمكانيات تقنيات تحرير الجينات، وخاصة CRISPR/Cas9، لتعزيز خصائص النشا وتحسين مرونة المحاصيل ضد الضغوط الناتجة عن المناخ. يحددون أهمية استهداف الجينات المرتبطة بتخليق النشا وتنظيمه لتطوير أصناف مقاومة للمناخ يمكن أن تحافظ على إنتاج مستقر من النشا، وبالتالي تساهم في الأمن الغذائي العالمي.
تسلط الاستنتاجات الضوء على ضرورة إنشاء أصناف من المحاصيل لا تحسن فقط من عائد وجودة النشا ولكن أيضًا تظهر مقاومة للضغوط غير الحيوية. يقترح المؤلفون اتجاهات البحث المستقبلية، بما في ذلك توصيف جينات إضافية تشارك في تخليق النشا وتحمل الضغوط، وفهم الآليات التنظيمية لإنزيمات تخليق النشا تحت تغير المناخ، وإجراء تقييمات ميدانية للمحاصيل المعدلة باستخدام CRISPR/Cas9. يشيرون إلى تعقيد تنظيم تخليق النشا وإمكانية حدوث عواقب غير مقصودة من تحرير الجينات، مما يبرز الحاجة إلى دراسات شاملة لضمان التطبيق الناجح لهذه التقنيات في الزراعة.
مقدمة
في مقدمة ورقة البحث، يتم تحديد النشا كمخزون الكربون الرئيسي في النباتات وثاني أكثر البوليمرات الحيوية المتجددة وفرة على الأرض، بعد السليلوز (Li et al. 2023a). يتم الحصول عليه بشكل أساسي من الحبوب مثل القمح والأرز والذرة، بالإضافة إلى الدرنات النشوية والمحاصيل الجذرية مثل البطاطس والكسافا. يتكون النشا من وحدات جلوكوز مرتبطة بـ α-1,4 (أميلوز) مع روابط α-1,6 متقطعة (أميلوبكتين)، مما يشكل حبيبات نشا شبه بلورية وغير قابلة للذوبان (SG) (Smith and Zeeman 2020). تختلف خصائص SG، بما في ذلك تركيبها وبنيتها وشكلها، بشكل كبير بين الأنواع النباتية وتتأثر بالعضيات التي يتم تخزينها فيها وظروف النمو (Yu et al. 2017; Cuesta-Seijo et al. 2019; Smith and Zeeman 2020; Niu et al. 2019a).
يحدث تخليق النشا في البلاستيدات، وخاصة في البلاستيدات الخضراء في الأوراق والأميلوبلاست في الأعضاء غير الضوئية مثل البذور والسيقان والجذور. يتم إنتاج نشا الأوراق، المعروف باسم النشا العابر، من عملية التمثيل الضوئي خلال النهار ويتم تحليله في الليل (Smith and Zeeman 2020; Niu et al. 2024). في المقابل، يتم الحفاظ على النشا المخزن الموجود في البذور والدرنات والجذور لفترات طويلة ويعمل كمورد حيوي للغذاء والعلف والطاقة الحيوية والتطبيقات الصناعية (Li et al. 2023a; Niu et al. 2023). تؤكد المراجعة على التحديات التي تطرحها الزيادة السكانية العالمية على إنتاج نشا المحاصيل.
نقاش
يسلط النقاش الضوء على الطلب المتزايد على الأطعمة الصحية المعتمدة على النشا، وخاصة تلك الغنية بالنشا المقاوم (RS)، والتي يمكن أن تساعد في التحكم في مستوى السكر في الدم للمرضى المصابين بالسكري. يرتبط محتوى RS في المحاصيل بشكل إيجابي بمستويات الأميلوز ويتأثر بالخصائص الجوهرية للنشا، مثل نسبة الأميلوز إلى الأميلوبكتين. على الرغم من الفوائد الصحية المرتبطة بمحتوى الأميلوز العالي وRS، إلا أن العديد من الحبوب الأساسية مثل القمح والأرز عادة ما تظهر مستويات منخفضة من هذه المكونات. تؤكد الورقة على الحاجة الملحة لتطوير محاصيل ذات محتوى معزز من الأميلوز وRS لمعالجة القضايا الصحية العامة، خاصة في سياق تغير المناخ، الذي يهدد الأمن الغذائي العالمي من خلال تقليل عائدات المحاصيل وتغيير جودة النشا.
يؤثر تغير المناخ، الذي يتميز بالجفاف ودرجات الحرارة المرتفعة، سلبًا على تخليق النشا في الحبوب، مما يؤدي إلى خسائر كبيرة في العائد. تناقش الورقة كيف أن الضغوط البيئية تعيق إنزيمات تخليق النشا، مما يؤدي إلى تقليل محتوى النشا وتغيير جودة الحبوب. تؤكد على أهمية تعزيز مرونة المحاصيل من خلال تقنيات تحرير الجينات، وخاصة CRISPR/Cas9، التي يمكن أن تسهل التعديل المستهدف لمسارات تخليق النشا. تهدف هذه المقاربة إلى إنتاج محاصيل لا تلبي فقط الطلبات الغذائية ولكن أيضًا تتحمل التحديات المتعلقة بالمناخ، مما يساهم في الأمن الغذائي وتحسين النتائج الصحية. يتم استكشاف إمكانيات CRISPR/Cas9 في تعديل محتوى النشا وجودته، مع أمثلة على التطبيقات الناجحة في محاصيل مختلفة، مما يشير إلى طريق واعد للبحث والتطوير المستقبلي في تحسين المحاصيل.
DOI: https://doi.org/10.1007/s44154-025-00278-x
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41495569
Publication Date: 2026-01-07
Author(s): Liangjie Niu et al.
Primary Topic: Food composition and properties
Overview
This section of the research paper discusses the critical role of starch as a storage component in plants and its susceptibility to climate change, particularly drought and high temperatures, which adversely affect starch biosynthesis, yield, and quality. The authors emphasize the potential of gene editing technologies, specifically CRISPR/Cas9, to enhance starch traits and improve crop resilience against climate-induced stresses. They outline the importance of targeting genes associated with starch biosynthesis and regulation to develop climate-resilient cultivars that can maintain stable starch production, thereby contributing to global food security.
The conclusions highlight the necessity of creating crop varieties that not only improve starch yield and quality but also exhibit resistance to abiotic stresses. The authors propose future research directions, including the characterization of additional genes involved in starch synthesis and stress tolerance, understanding the regulatory mechanisms of starch biosynthetic enzymes under climate change, and conducting field evaluations of CRISPR/Cas9-edited crops. They note the complexity of starch biosynthesis regulation and the potential for unintended consequences from gene editing, underscoring the need for comprehensive studies to ensure the successful application of these technologies in agriculture.
Introduction
In the introduction of the research paper, starch is identified as the primary carbon reserve in plants and the second most abundant renewable biopolymer on Earth, following cellulose (Li et al. 2023a). It is primarily sourced from cereals such as wheat, rice, and maize, as well as starchy tubers and root crops like potatoes and cassava. Starch consists of α-1,4-linked glucose units (amylose) with intermittent α-1,6 linkages (amylopectin), forming semi-crystalline, insoluble starch granules (SG) (Smith and Zeeman 2020). The characteristics of SG, including their composition, structure, and morphology, vary significantly among plant species and are influenced by the organelles in which they are stored and the growth conditions (Yu et al. 2017; Cuesta-Seijo et al. 2019; Smith and Zeeman 2020; Niu et al. 2019a).
The synthesis of starch occurs in plastids, specifically chloroplasts in leaves and amyloplasts in non-photosynthetic organs such as seeds, stems, and roots. Leaf starch, referred to as transitory starch, is produced from photosynthesis during the day and is degraded at night (Smith and Zeeman 2020; Niu et al. 2024). In contrast, storage starch found in seeds, tubers, and roots is maintained for extended periods and serves as a crucial resource for food, feed, bioenergy, and industrial applications (Li et al. 2023a; Niu et al. 2023). The review emphasizes the challenges posed by the growing global population on crop starch production.
Discussion
The discussion highlights the increasing demand for healthier starch-based foods, particularly those rich in resistant starch (RS), which can aid in blood sugar control for diabetic patients. The content of RS in crops is positively correlated with amylose levels and is influenced by starch’s intrinsic properties, such as the amylose-to-amylopectin ratio. Despite the health benefits associated with high amylose and RS content, many staple cereals like wheat and rice typically exhibit low levels of these components. The paper emphasizes the urgent need to develop crops with enhanced amylose and RS content to address public health concerns, especially in the context of climate change, which threatens global food security by reducing crop yields and altering starch quality.
Climate change, characterized by drought and elevated temperatures, adversely affects starch biosynthesis in cereal grains, leading to significant yield losses. The paper discusses how environmental stressors inhibit starch biosynthetic enzymes, resulting in reduced starch content and altered grain quality. It underscores the importance of enhancing crop resilience through gene editing technologies, particularly CRISPR/Cas9, which can facilitate the targeted modification of starch biosynthesis pathways. This approach aims to produce crops that not only meet nutritional demands but also withstand climate-related challenges, thereby contributing to food security and improved health outcomes. The potential of CRISPR/Cas9 in modifying starch content and quality is explored, with examples of successful applications in various crops, indicating a promising avenue for future research and development in crop improvement.