“ข้าวลูกผสม” Game-Charger of Rices

ในต้นฤดูร้อนของรัฐ Texas และ Arkansas เฮลิคอปเตอร์ขนาดเล็กถูกนำขึ้นบินเหนือนาข้าว จุดประสงค์คืออาศัยแรงลมจากใบพัดช่วยในการผสมเกสร ซึ่งเป็นวิธีการสร้างเมล็ดพันธุ์ข้าวลูกผสมของบริษัท RiceTec พันธุ์ที่ได้นั้นเป็นพันธุ์ข้าวที่ให้ผลผลิตสูง และเป็นที่นิยมของเกษตรกรทางตอนใต้ของสหรัฐอเมริกา แม้ว่าวิธีการดังกล่าวจะมีต้นทุนสูง และมีความยุ่งยากเพียงใด แต่ก็ยังคุ้มค่าเมื่อเทียบกับผลลัพธ์ เนื่องจากเมล็ดพันธุ์ลูกผสมนั้น จะเจริญเติบโตเป็นต้นข้าวที่แข็งแรงและปรับตัวเข้ากับสภาพแวดล้อมได้เป็นอย่างดี ยิ่งไปกว่านั้นยังให้ผลผลิตสูงกว่าพันธุ์ข้าวปกติ ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า Hybrid vigor ซึ่งจะพบในลูกผสมที่เกิดจากการผสมข้ามสองพันธุ์ ผลที่ได้คือพันธุ์ลูกผสมที่มีลักษณะดีเด่นเหนือพันธุ์พ่อแม่ ปรากฏการณ์นี้ยังไม่มีคำอธิบายที่แน่ชัด แต่สมมุติฐานที่ได้รับการยอมรับอย่างแพร่หลายให้เหตุผลว่า ยีนเด่นจากแต่ละพันธุ์ (พ่อ-แม่) จะข่มยีนด้อยไว้ ทำให้ยีนที่แสดงออกในพันธุ์ลูกผสมมีเพียงยีนเด่นเท่านั้น ผลที่ได้คือ พันธุ์ลูกผสมสามารถให้ผลผลิตได้มากกว่าพันธุ์ปกติถึง 50% ยิ่งไปกว่านั้นต้นพืชที่ได้ยังแข็งแรง ทนทานต่อสภาพแวดล้อม เช่น ทนแล้งได้ดียิ่งขึ้น ซึ่งลักษณะดังกล่าวนี้สามารถพบเห็นได้ในพันธุ์พืชลูกผสมอื่นๆ เช่นกัน อาทิ ข้าวโพด

ในกรณี “ข้าว” ซึ่งตามธรรมชาติเป็นพืชผสมตัวเอง การที่จะสร้างเมล็ดพันธุ์ลูกผสมจึงมีซับซ้อน ต่างจากข้าวโพดที่เป็นพืชผสมข้ามอยู่แล้ว ในปัจจุบันบริษัทเมล็ดพันธุ์บางแห่ง มีการผลิตพันธุ์ข้าวลูกผสมโดยอาศัยเฮลิคอปเตอร์ดังที่กล่าวไปก่อนหน้า ซึ่งวิธีการนี้จะต้องทำทุกๆ รอบการผลิต เพื่อให้ยังคงได้ลูกผสมที่ยังแสดงลักษณะดีเด่นตามต้องการต่อไป แน่นอนว่าเป็นวิธีที่ยุ่งยาก และมีต้นทุนสูง ยิ่งไปกว่านั้นเกษตรกรจำเป็นจะต้องซื้อเมล็ดพันธุ์ใหม่ทุกรอบการปลูก ทำให้ต้นทุนของเกษตรกรเพิ่มสูงขึ้นไปอีก

(จาก doi: 10.1126/science.adi7882)

จากสาเหตุดังกล่าว เหล่านักปรับปรุงพันธุ์จึงพยายามมองหาวิธีการที่มีประสิทธิภาพกว่า หนึ่งในวิธีที่ถูกหยิบยกขึ้นมาคือ “Apomixis” ในภาษากรีกมีความหมายว่า “ปราศจากการผสม” โดยแนวคิดของวิธีการนี้คือการทำให้เซลล์สืบพันธุ์เพศเมียหรือเซลล์ไข่ (egg cells) สามารถเจริญเป็นคัพภะ (embryo) โดยไม่ต้องปฏิสนธิ หากวิธีนี้ประสบความสำเร็จ จะทำให้การผลิตเมล็ดพันธุ์ลูกผสมเป็นเรื่องง่าย รวดเร็วและมีต้นทุนต่ำลงอย่างมาก จึงสามารถขายในราคาถูก ซึ่งส่งผลดีกับเกษตรกรรายย่อยให้เข้าถึงเมล็ดพันธุ์ลูกผสมได้ง่ายยิ่งขึ้น

“Apomixis” ถูกกล่าวถึงครั้งแรกในศตวรรษที่ 19 โดยนักพฤษศาสตร์ชาวอังกฤษ John Smith เขาสังเกตพบต้นฮอลลี่ที่ออกผลได้โดยไม่ต้องอาศัยการผสมเกสรหรือการปฏิสนธิจากเกสรตัวผู้ ตั้งแต่นั้นมาก็เริ่มมีการศึกษาอย่างจริงจัง ตามมาด้วยการค้นพบพืชกว่า 400 สปีชีส์ที่เกิดกระบวนการ Apomixis ในธรรมชาติ อย่างไรก็ตามกระบวนการนี้กลับไม่ปรากฏในกลุ่มพืชอาหารหลัก (staple crop)

(จาก doi: 10.1126/science.adi7882)

ส่วนสำคัญที่นักวิทยาศาสตร์พยายามทำความเข้าใจคือ ตามธรรมชาติการขยายพันธุ์แบบอาศัยเพศ เซลล์ไข่และสเปิร์มถูกสร้างจากการแบ่งเซลล์แบบไมโอซีส (meiosis) ซึ่งจะได้เซลล์สืบพันธุ์ที่มีโครโมโซมอยู่เพียงครึ่งเดียว (haploid cell) และจะพัฒนาไปเป็นคัพภะได้ก็ต่อเมื่อได้รับการปฏิสนธิ แต่หากเป็นพืชที่สืบพันธุ์แบบ apomixis จะมีการแบ่งเซลล์สืบพันธุ์แบบไมโตซีส (mitosis) ซึ่งจะทำให้เซลล์ที่ได้มีจำนวนโครโมโซมเท่าเดิม (diploid cell) และเซลล์ไข่ที่ได้ สามารถที่เจริญไปเป็นคัพภะได้โดยไม่ต้องอาศัยการปฏิสนธิ โดยเราจะเรียกกระบวนการดังกล่าวว่า parthenogenesis

แม้ในปัจจุบันวิธีการขยายพันธุ์แบบ apomixis ยังไม่พร้อมต่อการใช้งานจริง แต่ด้วยความทุ่มเทด้านการวิจัยและความร่วมมือของทีมวิจัยนานาชาติส่งผลให้มีการค้นพบมากมายในทศวรรษที่ผ่านมา โดยใน 2009 ทีมนักวิจัยนำโดย Raphaël Mercier จาก Max Planck Institute for Plant Breeding Research ได้ทำศึกษายีนที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการแบ่งเซลล์ และพบว่าเมื่อ knocked out ยีน 3 ยีนที่เกี่ยวข้องกับการแบ่งเซลล์แบบไมโอซีสใน Arabidopsis สามารถเหนี่ยวนำให้เกิดเซลล์สืบพันธุ์ที่มาจากการแบ่งเซลล์แบบไมโตซีส และต่อมาได้เรียกยีนทั้ง 3 นี้ว่า MiMe มาจาก “Mitosis instead of Meiosis” ต่อมาในปี 2016 ทีมวิจัยเดิมได้ประสบความสำเร็จในการทำให้ข้าวสามารถสร้างเซลล์ไข่ที่เป็น diploid cell ซึ่งมีลักษณะเหมือนเซลล์แม่ทุกประการ

ในขณะเดียวกัน ทีมวิจัยอื่นๆ กำลังศึกษากลไกที่ต่างออกไป ในปี 2002 นักพันธุศาสตร์ Kim Boutilier ได้ค้นพบยีน BABY BOOM จากต้น rapeseed โดยเมื่อยีนดังกล่าวมีการแสดงออกใน Arabidopsis จะกระตุ้นให้เนื้อเยื่อลำต้นและใบเจริญไปเป็นคัพภะได้ และต่อมา ในปี 2015 Ozias-Akins และทีมได้ค้นพบว่ายีน BABY BOOM มีบทบาทสำคัญต่อการเกิด apomixis ในธรรมชาติของ Pennisetum squamulatum ซึ่งเป็นหนึ่งในพืชตระกูลหญ้า ต่อมาได้ถ่ายยีนไปยังพืชตระกูลหญ้าอื่นๆ เช่น ข้าวและข้าวโพด และพบว่าสามารถเหนี่ยวนำให้เกิดกระบวนการ parthenogenesis ในพืชทั้งสองชนิดได้ และในงานวิจัยล่าสุดจาก University of California (UC), Davis ที่ได้มีการตีพิมพ์ใน Nature Communications ในเดือนธันวาคม ปี 2022 ได้รายงานถึงความสำเร็จ หลังจากการทดลอง knock out ยีน MiMe และแทรกยีน BABY BOOM ในข้าว ผลที่ได้คือ ต้นข้าวสามารถสร้างเมล็ด clonal seed ได้ 95% ซึ่งเมล็ดเหล่านี้เกิดจากกระบวนการ apomixis นั้นเอง อย่างไรก็ตามความสำเร็จที่น่าทึ่งเหล่านี้ยังคงต้องการเวลาศึกษาวิจัยเพิ่มเติมอีก 5 – 10 ปี เพื่อให้ได้พันธุ์ข้าวเหมาะสมเพียงพอ ก่อนที่จะนำออกสู่ตลาด ซึ่งจากการค้นพบและผลการวิจัยที่กล่าวมาข้างต้นคงอีกไม่นานเกินรอ แต่สำหรับปัจจุบันนั้นการผลิตพันธุ์ข้าวลูกผสมก็ยังคงต้องอาศัยเฮลิคอปเตอร์ต่อไป

Reference
Stokstad, E. (2023). Game-changer-scientists-are-genetically-engineering-crops-clone-themselves. Science. doi: 10.1126/science.adi7882