ویرایش ژنومی مبتنی بر CRISPR برای بهبود مواد مغذی در محصولات زراعی: پیشرفت‌ها و فرصت‌ها

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه ترویج و ارتباطات کشاورزی، دانشکده علوم کشاورزی، دانشگاه سیکشا 'O' آنوساندان (دانشگاه مورد تأیید)، بوبانسوار، اودیسا، هند.

2 گروه مهندسی مکانیک، دانشکده مهندسی و فناوری، دانشگاه جِین (مورد تأیید)، منطقه رماناگارا، کارناتاکا - 562112، هند.

3 گروه علوم، دانشگاه مهاریشی فناوری اطلاعات، لوکناو، اوتار پرادش، هند.

4 مرکز پژوهش، اثرگذاری و نتایج، دانشگاه چیتکارا، راجپورا- 140417، پنجاب، هند.

5 مرکز پژوهش و توسعه چیتکارا، دانشگاه چیتکارا، هیماچال پرادش - 174103، هند.

6 مؤسسه ISME، دانشگاه مهارت‌محور ATLAS، بمبئی، هند.

7 گروه زیست‌فناوری، مؤسسه علوم و فناوری ساتیاباما، چنای، تامیل نادو، هند.

چکیده

هدف: این پژوهش با هدف بررسی انتقادی و خلاصه‌سازی پیشرفت‌های اخیر در فناوری‌های ویرایش ژنومی مبتنی بر CRISPR که برای ارتقای کیفیت تغذیه‌ای محصولات غذایی اصلی به کار گرفته شده‌اند، انجام شد. تمرکز اصلی بر شناسایی ژن‌های هدف خاص، ارزیابی پیامدهای تغییرات ژنتیکی، و برجسته‌سازی فرصت‌های آینده برای کشاورزی پایدار و امنیت غذایی جهانی بود.
مواد و روش‌ها: ما مقالات پژوهشی داوری‌شده، مطالعات موردی، و گزارش‌های نهادی را تحلیل کردیم. این مرور بر CRISPR/Cas9 و گونه‌های پیشرفته آن مانند Cas12a، base editors و prime editors متمرکز است که برای اصلاح ژن‌های مرتبط با زیست‌سنتز، انتقال و تجمع مواد مغذی در گیاهان به کار رفته‌اند. ژن‌های کلیدی هدف شامل psy1 و crtI برای تولید پیش‌ویتامین A، O2 و پروتئین‌های غنی از لیزین برای افزایش اسیدهای آمینه ضروری، و ژن‌های ناقل فلزی مانند OsNAS2 و اعضای خانواده ZIP برای بهبود قابلیت زیست‌دسترس آهن و روی می‌باشند. همچنین روش‌های بررسی‌شده، پلتفرم‌های طراحی RNA راهنما و شیوه‌های انتقال شامل تراریختی واسطه آگروباکتریوم، بمباران ذره‌ای و سیستم‌های مبتنی بر پروتوپلاست را در بر می‌گیرند.
نتایج: بهبودهای چشمگیری در پروفایل تغذیه‌ای محصولات مشاهده شد. به عنوان نمونه، ارقام برنج ویرایش‌شده با CRISPR دارای محتوای بالاتر آهن و روی بودند، ذرت سطح بالاتری از لیزین نشان داد، و گوجه‌فرنگی غلظت بیشتری از ویتامین‌های A و C داشت. رویکردهای ویرایش باز امکان جایگزینی دقیق نوکلئوتیدها را بدون وارد کردن DNA خارجی فراهم کردند که این امر موانع مقرراتی را کاهش داده و پذیرش عمومی را افزایش داد. علاوه بر این، چشم‌انداز مقرراتی در کشورهایی مانند ایالات متحده و ژاپن تغییر یافته و آزمایش میدانی و تجاری‌سازی محصولات ژن‌ویرایش‌شده را تحت دستورالعمل‌های تسهیل‌شده GMO مجاز کرده است که این موضوع پژوهش و توسعه را تسریع می‌کند.
نتیجه‌گیری: ویرایش ژنومی مبتنی بر CRISPR ابزاری تحول‌آفرین در توسعه محصولات غذایی غنی از مواد مغذی محسوب می‌شود. هنگامی که با زیست‌شناسی مصنوعی و بیوانفورماتیک محاسباتی ادغام شود، رویکردی سریع و هدفمند برای اصلاح محصولات ارائه می‌دهد که در زمینه تغییرات اقلیمی و رشد جمعیت حیاتی است. با این حال، برای دستیابی این فناوری به تأثیر جهانی، باید چالش‌های گوناگونی برطرف شوند. این چالش‌ها شامل ایجاد مقررات هماهنگ ایمنی زیستی، مدیریت دغدغه‌های اخلاقی، و افزایش آگاهی و اعتماد عمومی است. چارچوب‌های بین‌المللی مشارکتی و سیاست‌گذاری فراگیر برای تضمین آن‌که نوآوری‌های مبتنی بر CRISPR به‌طور مؤثر در امنیت غذایی و تغذیه‌ای جهانی نقش‌آفرینی کنند، ضروری خواهند بود.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

CRISPR-oriented genome editing to improve nutrients in crops: advancements and opportunities

نویسندگان [English]

  • Anshuman Jena 1
  • Kuthalingam Venkadeshwaran 2
  • Madhu Prakash Srivastava 3
  • Nittin Sharma 4
  • Prateek Garg 5
  • Mohamed A Jaffar 6
  • Inbathamizh Inbathamizh 7
1 Department of Agricultural Extension and Communication, Faculty of Agricultural Sciences, Siksha 'O' Anusandhan (Deemed to be University), Bhubaneswar, Odisha, India.
2 Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering and Technology, JAIN (Deemed-to-be University), Ramanagara District, Karnataka - 562112, India.
3 Department of Science, Maharishi University of Information Technology, Lucknow, Uttar Pradesh, India.
4 Centre of Research Impact and Outcome, Chitkara University, Rajpura- 140417, Punjab, India.
5 Chitkara Centre for Research and Development, Chitkara University, Himachal Pradesh-174103 India.
6 ISME, ATLAS SkillTech University, Mumbai, India
7 Department of Biotechnology, Sathyabama Institute of Science and Technology, Chennai, Tamil Nadu, India.
چکیده [English]

Objective
This investigation targets to critically examine and summarise recent advancements in CRISPR-based genome editing technologies applied to raise the nutritional quality of major food crops. The centralize is on identifying particular gene targets, evaluating the outcomes of genetic modifications, and emphasizing future chances for sustainable agriculture and global food security.


Materials and methods
We analysed peer-reviewed research articles, case investigations, and institutional reports. The review concentrates on CRISPR/Cas9 and its progressive variants Cas12a, base editors, and prime editors that have been applied to modify genes related to nutrient biosynthesis, transport, and accumulation in crops. Key gene targets include psy1 and crtI for provitamin A production, o2 and lysine-rich proteins for increasing essential amino acids, and metal transporter genes like OsNAS2 and members of the ZIP family for improving iron and zinc bioavailability. The methodologies examined also cover numerous guide RNA design platforms and delivery techniques, containing Agrobacterium-mediated transformation, particle bombardment, and protoplast-based systems.
Results
Meaningful improvements in crop nutritional profiles were observed. For instance, CRISPR-edited rice varieties showed increased iron and zinc content, maize exhibited elevated lysine levels, and tomato demonstrated improved concentrations of vitamins A and C. Base editing approaches facilitated accurate nucleotide replacement without the introduction of foreign DNA, thereby reducing regulatory hurdles and enhancing public acceptance. Furthermore, the regulatory landscape in countries like the United States and Japan has evolved to permit field testing and commercialization of gene-edited crops under relaxed GMO guidelines, further accelerating study and expansion.
Conclusions
CRISPR-based genome editing represents a transformative tool in the expansion of nutrient-dense food crops. When integrated with synthetic biology and computational bioinformatics, it proposes a rapid and aimed approach to crop development, which is crucial in the context of climate change and population growth. However, for the technology to achieve global impact, different challenges must be addressed. These include establishing harmonized biosafety regulations, managing ethical concerns, and enhancing public awareness and trust. Collaborative international frameworks and inclusive policy-making will be essential to ensure that CRISPR-driven innovations participate effectively to global food and nutritional security.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Agricultural biotechnology
  • CRISPR/Cas9
  • Gene modification
  • Genome editing
  • Sustainable agriculture

مراجع

Bouis, H. E., & Saltzman, A. (2017). Improving nutrition through biofortification: A review of evidence from HarvestPlus, 2003 through 2016. Global Food Security, 12, 49–58. https://doi.org/10.1016/j.gfs.2017.01.009
Chen, F., Chen, L., Yan, Z., Xu, J., Feng, L., He, N., Guo, M., Zhao, J., Chen, Z., Chen, H., Yao, G., & Liu, C. (2024). Recent advances of CRISPR-based genome editing for enhancing staple crops. Frontiers in Plant Science, 15, 1478398. https://doi.org/10.3389/fpls.2024.1478398.
Chieb, M., & Gachomo, E. W. (2023). The role of plant growth promoting rhizobacteria in plant drought stress responses. BMC plant biology, 23(1), 407. https://doi.org/10.1186/s12870-023-04403-8
Christian, M., Cermak, T., Doyle, E. L., Schmidt, C., Zhang, F., Hummel, A., Bogdanove, A. J., & Voytas, D. F. (2010). Targeting DNA Double-Strand Breaks with TAL Effector Nucleases. Genetics, 186(2), 757–761. https://doi.org/10.1534/genetics.110.120717
Fujii, S., Sobol, R. W., & Fuchs, R. P. (2022). Double-strand breaks: When DNA repair events accidentally meet. DNA repair, 112, 103303. https://doi.org/10.1016/j.dnarep.2022.103303
Ganger, S., Harale, G., & Majumdar, P. (2023). Clustered regularly interspaced short palindromic repeats/CRISPR-associated (CRISPR/Cas) systems: Discovery, structure, classification, and general mechanism. In CRISPR/Cas-Mediated Genome Editing in Plants (pp. 65-97). Apple Academic Press.
Ghimire, B. K., Yu, C. Y., Kim, W. R., Moon, H. S., Lee, J., Kim, S. H., & Chung, I. M. (2023). Assessment of benefits and risk of genetically modified plants and products: current controversies and perspective. Sustainability, 15(2), 1722. https://doi.org/10.3390/su15021722
Jinek, M., Chylinski, K., Fonfara, I., Hauer, M., Doudna, J. A., & Charpentier, E. (2012). A programmable Dual-RNA–Guided DNA endonuclease in adaptive bacterial immunity. Science, 337(6096), 816–821. https://doi.org/10.1126/science.1225829
Kazemipour, E., Sasan, H., & Mohammadabadi, M. (2025). The effect of the intrinsic resistance of Shigella flexneri 2a to spectinomycin on the efficiency of the CRISPR/Cas9 system. Agricultural Biotechnology Journal, 17(3), 177-200. https://doi.org/10.22103/jab.2025.25382.1717
Koç, E., & Karayiğit, B. (2021). Assessment of biofortification approaches used to improve micronutrient-dense plants that are a sustainable solution to combat hidden hunger. Journal of Soil Science and Plant Nutrition, 22(1), 475-500. https://doi.org/10.1007/s42729-021-00663-1
Li, C., Zong, Y., Wang, Y., Jin, S., Zhang, D., Song, Q., Zhang, R., & Gao, C. (2018). Expanded base editing in rice and wheat using a Cas9-adenosine deaminase fusion. Genome Biology, 19(1). https://doi.org/10.1186/s13059-018-1443-z
Liu, S., Yang, C., Wu, L., Cai, H., Li, H., & Xu, M. (2020). The peu‐miR160a− PeARF17. 1/PeARF17. 2 module participates in the adventitious root development of poplar. Plant biotechnology journal, 18(2), 457-469. https://doi.org/10.1111/pbi.13211.
Maghari, B. M., & Ardekani, A. M. (2011, September 1). Genetically modified foods and social concerns. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3558185/
Maldonado-Taipe, N., Barbier, F., Schmid, K., Jung, C., & Emrani, N. (2022). High-Density Mapping of Quantitative Trait Loci Controlling Agronomically Important Traits in Quinoa (Chenopodium quinoa Willd.). Frontiers in Plant Science, 13. https://doi.org/10.3389/fpls.2022.916067
Mohammadabadi, M., Akhtarpoor, A., Khezri, A., Babenko, O., Stavetska, R. V., Tytarenko, I., Ievstafiieva, Y., Buchkovska, V., Slynko, V. and Afanasenko, V. (2024a). The role and diverse applications of machine learning in genetics, breeding, and biotechnology of livestock and poultry. Agricultural Biotechnology Journal, 16(4), 413-442. https://doi.org/10.22103/jab.2025.24662.1644
Mohammadabadi, M., Kheyrodin, H., Afanasenko, V., Babenko Ivanivna, O., Klopenko, N., Kalashnyk, O., Ievstafiieva, Y. and Buchkovska, V. (2024). The role of artificial intelligence in genomics. Agricultural Biotechnology Journal, 16(2), 195-279. https://doi.org/10.22103/jab.2024.23558.1575
Oliva, R., Ji, C., Atienza-Grande, G., Huguet-Tapia, J. C., Perez-Quintero, A., Li, T., Eom, J-.S., Li, C., Nguyen, H., Liu, B., Auguy, F., Sciallano, C., Luu, V. T., Dossa, G. S., Cunnac, S., Schmidt, S. M., Slamet-Loedin, I. H., Cruz, C. V., Szurek, B., Frommer , W. B., White. F. F., & Yang, B. (2019). Broad-spectrum resistance to bacterial blight in rice using genome editing. Nature biotechnology, 37(11), 1344-1350. https://doi.org/10.1038/s41587-019-0267-z
Pandey, P., Irulappan, V., Bagavathiannan, M. V., & Senthil-Kumar, M. (2017). Impact of combined abiotic and biotic stresses on plant growth and avenues for crop improvement by exploiting physio-morphological traits. Frontiers in Plant Science, 8. https://doi.org/10.3389/fpls.2017.00537
Schmidt, C., Pacher, M., & Puchta, H. (2019). Efficient induction of heritable inversions in plant genomes using the CRISPR/Cas system. The Plant Journal, 98(4), 577–589. https://doi.org/10.1111/tpj.14322
Singh, S. K., Sahoo, J. P., Saikia, S., Pradhan, P., Mishra, A. P., Behera, L., Lenka, D., & Panda, N. (2023). Biofortification of rice (Oryza sativa L.). In Biofortification in Cereals: Progress and Prospects (pp. 149-172). Singapore: Springer Nature Singapore. https://doi.org/10.1007/978-981-19-4308-9_6.
Trojak-Goluch, A., Kawka-Lipińska, M., Wielgusz, K., & Praczyk, M. (2021). Polyploidy in industrial crops: applications and perspectives in plant breeding. Agronomy, 11(12), 2574. https://doi.org/10.3390/agronomy11122574
Wang, Y., Zafar, N., Ali, Q., Manghwar, H., Wang, G., Yu, L., Ding, X., Ding, F., Hong, N., Wang, G., & Jin, S. (2022). CRISPR/Cas Genome Editing Technologies for Plant Improvement against Biotic and Abiotic Stresses: Advances, Limitations, and Future Perspectives. Cells, 11(23), 3928. https://doi.org/10.3390/cells11233928
White, P. J., & Broadley, M. R. (2009). Biofortification of crops with seven mineral elements often lacking in human diets – iron, zinc, copper, calcium, magnesium, selenium and iodine. New Phytologist, 182(1), 49–84. https://doi.org/10.1111/j.1469-8137.2008.02738.x
Xie, F., Yan, H., Sun, Y., Wang, Y., Chen, H., Mao, W., Zhang, L., Sun, M., & Peng, X. (2018). RPL18aB helps maintain suspensor identity during early embryogenesis. Journal of Integrative Plant Biology, 60(4), 266-269. https://doi.org/10.1111/jipb.12616
Zhang, H., Si, X., Ji, X., Fan, R., Liu, J., Chen, K., Wang, D., & Gao, C. (2018). Genome editing of upstream open reading frames enables translational control in plants. Nature Biotechnology, 36(9), 894–898. https://doi.org/10.1038/nbt.4202
Zsögön, A., Čermák, T., Naves, E. R., Notini, M. M., Edel, K. H., Weinl, S., Freschi, L., Voytas, D. F., Kudla, J., & Peres, L. E. P. (2018). De novo domestication of wild tomato using genome editing. Nature Biotechnology, 36(12), 1211–1216. https://doi.org/10.1038/nbt.4272
مجله بیوتکنولوژی کشاورزی
دوره 17، شماره 4
آبان 1404
صفحه 247-264

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار