เทคโนโลยีการพัฒนาพันธุ์พืชระดับอุตสาหกรรม

กนกพร บุญศิริชัย
กลุ่มวิจัยและพัฒนานิวเคลียร์
สถาบันเทคโนโลยีนิวเคลียร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน)

ดร. Fischhoff กล่าวถึงการผลิตพืชเศรษฐกิจในกลุ่มข้าวโพด ข้าว ข้าวสาลี และถั่วเหลือง ว่าตั้งแต่ ค.ศ. ๑๙๖๐ ถึง ๒๐๐๙ ผลผลิตของพืชเหล่านี้ต่อหน่วยทรัพยากรการผลิต (yield/input) มีค่าเพิ่มขึ้นมากกว่าสามเท่า โดยการเพิ่มขึ้นนั้น เป็นไปอย่างสม่ำเสมอตลอดมาและไม่มีการเพิ่มขึ้นของพื้นที่การผลิต  ปัจจัยสำคัญสำหรับการเพิ่มผลผลิตนี้คือ การปรับปรุงเชิงพันธุกรรมและการปรับปรุงเชิงเกษตรกรรม ซึ่งปัจจัยหลังยังรวมถึงการใช้สารเคมีและการใช้ เครื่องจักรกลด้วย  ในปัจจุบันการขยายพื้นที่การผลิตเพื่อตอบสนองความต้องการอาหารที่เพิ่มขึ้นคงเป็นไปได้ยาก สิ่งที่เราต้องทำต่อไปเพื่อตอบสนองความต้องการด้านอาหารของประชากรโลกยังคงเป็นการเพิ่มผลผลิตนั่นเอง  ดร. Fischhoff กล่าวว่าการเพิ่มผลผลิตอย่างยั่งยืนจำเป็นต้องบูรณาการเทคโนโลยีทั้งการปรับปรุงพันธุ์ เทคโนโลยีชีวภาพ และเกษตรกรรมเข้าด้วยกันอย่างลงตัวจึงจะประสบความสำเร็จ

การปรับปรุงพันธุ์ยุคปัจจุบันได้ก้าวหน้าไปมาก นักปรับปรุงพันธุ์ปัจจุบันบูรณาการความรู้ ข้อมูล และทรัพยากร หลากหลายสาขา เช่น สถิติ พันธุศาสตร์ โครโมโซม ความหลากหลายของแหล่งพันธุกรรม การผลิตลูกผสม การผลิต dihaploid เป็นต้น  ในเชิงอุตสากรรม การปรับปรุงพันธุ์พืชเศรษฐกิจยังอาศัยเทคโนโลยี recombinant DNA และ DNA sequencing ในการสร้างพืชพันธุ์ใหม่ที่ให้ผลผลิตสูงภายใต้สภาวะเครียดต่าง ๆ  ในระยะเริ่มแรกเทคโนโลยีดีเอ็นเอ ที่ถูกนำมาใช้ในการทำแผนที่พันธุกรรมของพืชคือ restriction fragment length polymorphism หรือ RFLP [อาศัยความแตกต่างของโมเลกุลดีเอ็นเอในการถูกย่อยด้วยเอนไซม์ตัดจำเพาะ – ผู้เขียน]  แต่เทคโนโลยีดีเอ็นเอ ได้รุดหน้าไปอย่างรวดเร็ว ปัจจุบันจึงนิยมใช้ single nucleotide polymorphism หรือ SNP [อาศัยความแตกต่าง โดยตรวจวัดที่ความละเอียดระดับนิวคลีโอไทด์ – ผู้เขียน] ร่วมกับการวิเคราะห์ลักษณะที่พืชแสดงออก (phenotype) เพื่อเชื่อมโยงความสัมพันธ์ระหว่างดีเอ็นเอเครื่องหมายกับลักษณะต่าง ๆ (marker-trait association)  และยังมีเทคโนโลยีการวิเคราะห์พันธุกรรมจากเมล็ดแบบไม่ทำลาย (non-destructive analysis) เรียกว่า seed chipping [พัฒนาโดยบริษัทมอนซานโต นักปรับปรุงพันธุ์สามารถเก็บตัวอย่างเพียง 5 มิลลิกรัมจากเมล็ด แล้วนำมาตรวจดีเอ็นเอ โดยไม่ทำอันตรายต่อตัวอ่อนในเมล็ด – ผู้เขียน]  นักปรับปรุงพันธุ์จึงสามารถคัดเลือกเชื้อพันธุ์ที่มีพันธุกรรมตามต้องการ ได้ก่อนที่จะนำเมล็ดนั้นไปปลูกเสียอีก

ในการปรับปรุงพันธุ์เพื่อปกป้องผลผลิตและลดปัจจัยนำเข้า (yield protection / reduced input) บริษัทมอนซานโต ประสบความสำเร็จในการผลิตพันธุ์พืชเศรษฐกิจประกอบด้วยข้าวโพด ถั่วเหลือง ฝ้าย และแคโนลา (canola) ที่ทนต่อสารกำจัดวัชพืช (herbicide-tolerance crops) และพันธุ์พืชที่มีความสามารถในการควบคุมประชากรแมลง (insect-control crops) [พืชในกลุ่มนี้เป็นพืชจำลองพันธุ์ (transgenic plant) คือได้รับการตัดแต่งยีน – ผู้เขียน]  พันธุ์พืชเหล่านี้ได้รับการยอมรับจากหลายประเทศทั่วโลกมาเป็นเวลากว่า ๑๕ ปีแล้ว  และมากกว่าร้อยละ ๙๐ ของพันธุ์พืชเหล่านี้ เพาะปลูกอยู่ในประเทศกำลังพัฒนาซึ่งเกษตรกรมีกำลังน้อยในการจัดหาปัจจัยการผลิต ตัวอย่างเช่น Bollgard? ซึ่งเป็นพันธุ์ฝ้ายที่มีส่วนช่วยให้ประเทศอินเดียสามารถก้าวขึ้นมาเป็นประเทศผู้ผลิตฝ้ายอันดับที่ ๒ ของโลก  พันธุ์ฝ้ายในชุดนี้ใช้ประโยชน์จากโปรตีนในกลุ่ม Bt toxin ซึ่งในธรรมชาติจะผลิตโดยแบคทีเรีย Bacillus thuringiensis  [ในการดัดแปลงพันธุกรรม จะนำพันธุกรรมของแบคทีเรียเฉพาะส่วนที่เกี่ยวข้องกับการผลิต Bt toxin ใส่เข้าไป เป็นส่วนหนึ่งของพันธุกรรมฝ้าย ทำให้ฝ้ายสามารถผลิต Bt toxin ได้ด้วยตัวเอง  Bt toxin มีหลายชนิด แต่ละชนิดอาจแสดงพิษจำเพาะต่อระบบทางเดินอาหารของหนอนแมลงในอันดับ (order) ต่าง ๆ เช่น Lepidoptera (กลุ่มผีเสื้อ) Diptera (กลุ่มแมลงวันและยุง) Coleoptera (กลุ่มแมลงปีกแข็ง) Hymenoptera (กลุ่มผึ้งและมด) และบางชนิดยังเป็นพิษต่อหนอนตัวกลม (nematode) อีกด้วย – ผู้เขียน]

บริษัทมอนซานโตเริ่มต้นจาก Bt toxin ชนิด Cry1ac ซึ่งใช้ในฝ้ายพันธุ์ Bollgard I?  จากนั้นจึงพัฒนาการใช้ประโยชน์ จาก Cry2ab ใน Bollgard II? ซึ่งแสดงพิษต้านทานแมลงได้หลากชนิดขึ้น และชะลอการสร้างความต้านทานต่อพิษ โดยแมลงกลุ่มเป้าหมาย  ปัจจุบันบริษัทกำลังพัฒนา Bollgard III ซึ่งจะใช้ทั้ง Cry1ac Cry2ab และโปรตีนพิษ อีกชนิดหนึ่ง  การใช้ประโยชน์จากโปรตีนพิษเหล่านี้เกิดขึ้นได้จากความสามารถในการค้นคว้าและพัฒนาโปรตีนพิษ ชนิดใหม่ ๆ  ในต้นคริสต์ทศวรรษที่ ๑๙๘๐ เทคโนโลยีที่ใช้คือ genome sequencing การวิเคราะห์เชิงสรีรวิทยา (physiological analysis) การระบุรายละเอียดลักษณะ (trait description) และการจับภาพ (imaging) เป็นต้น  ปัจจุบันถือเป็นยุค new genomics เป็นการเกิดใหม่ของเทคโนโลยี DNA sequencing ซึ่งเปลี่ยนโฉมการหา ลำดับดีเอ็นเอจากที่เคยต้องใช้ระยะเวลาหลายทศวรรษต่อ ๑ จีโนม (ข้อมูลพันธุกรรมหรือลำดับดีเอ็นเอทั้งหมดที่จำเป็น ต่อการดำรงชีวิตอย่างปกติของสิ่งมีชีวิต – ผู้เขียน) เป็นมากกว่า ๑๐๐ จีโนมต่อวัน  อีกทั้งการวิเคราะห์จีโนไทป์ (genotype) หรือชุดของยีน สามารถใช้ระบบอัตโนมัติตั้งแต่การสกัดดีเอ็นเอ การทำปฏิกิริยาลูกโซ่พอลิเมอเรส (polymerase chain reaction หรือ PCR) จนถึงการตรวจหาความแตกต่างระดับหนึ่งนิวคลิโอไทด์ (SNP)  และด้วย เทคโนโลยี microfluidics ปัจจุบัน ระบบอัตโนมัติที่ต้องใช้เครื่องมือหลายชิ้นเหล่านี้ได้ถูกรวมเข้ามาอยู่ในเครื่องมือเล็ก ๆ ขนาดตั้งโต๊ะเพียงเครื่องเดียว [อาศัยการสกัดและวิเคราะห์โดยใช้ของเหลวปริมาตรน้อยมาก ๆ ทำการวิเคราะห์บน chip – ผู้เขียน] ซึ่งเป็นการเพิ่มผลผลิตงานวิเคราะห์ต่อหน่วยเวลาต่อเงินลงทุน

เทคโนโลยีเหล่านี้เปลี่ยนรูปแบบการพัฒนาพืชเทคโนโลยีชีวภาพ จากที่ต้องอาศัยองค์ความรู้ที่มีอยู่ก่อนเกี่ยวกับ การทำงานของยีนและโปรตีนแต่ละชนิด เปลี่ยนเป็นอาศัย functional genomic program ซึ่งประกอบด้วย ความสามารถในการค้นหาและวิเคราะห์ลำดับดีเอ็นเอในปริมาณมากในเวลาอันสั้น การทดสอบการทำงานของยีน ที่หลากหลาย การทดสอบลักษณะที่พืชแสดงออกภายใต้สภาวะต่าง ๆ ในปริมาณมาก

ดร. Fischhoff ยังกล่าวถึงเทคโนโลยีใหม่สำหรับพืชดัดแปลงพันธุกรรม ได้แก่เทคโนโลยี small dsRNA ที่ให้พืชผลิต อาร์เอ็นเอ (ribonucleic acid) เกลียวคู่สายสั้น ๆ ซึ่งจะไปทำลายโมเลกุลอาร์เอ็นเอเป้าหมายในแมลง หรือหนอนแบบจำเพาะ ซึ่ง small dsRNA เหล่านี้ยังสามารถกระตุ้นให้แมลงหรือหนอนศัตรูพืชตอบสนองแบบทั้งระบบ (systemic response) ไม่จำเพาะเพียงแต่เนื้อเยื่อทางเดินอาหารที่ได้รับ small dsRNA โดยตรงจากพืชเท่านั้น  ปัจจุบันบริษัทมอนซานโตกำลังพัฒนาพันธุ์ข้าวโพดที่ผลิตทั้ง Bt toxin และ small dsRNA ซึ่งสามารถต้านทาน หนอนทำลายราก (corn rootworm) และยับยั้งการสร้างความต้านทานต่อพิษในหนอนด้วย

อีกความก้าวหน้าหนึ่งที่เป็นไปได้เพราะเทคโนโลยี high-throughput DNA sequencing คือ combinatorial genomics  ในการพัฒนาพืชที่ทนทานต่อแมลงจีนัส lygus (กลุ่มมวน) บริษัทมอนซานโตได้รวบรวมแบคที่เรีย Bacillus thuringiensis ซีงผลิต Bt toxin จากแหล่งต่าง ๆ และพบเพียงหนึ่งไอโซเลตเท่านั้นที่แสดงพิษต่อ lygus ถึงแม้ประสิทธิภาพจะต่ำ บริษัทจึงทำการหาลำดับดีเอ็นเอทั้งหมดของ Bacillus thuringiensis จากทุกแหล่งที่รวบรวมได้ เพื่อระบุและวิเคราะห์ลำดับดีเอ็นเอที่เกี่ยวข้องกับการผลิตพิษ และใช้ประโยชน์จากข้อมูลลำดับดีเอ็นเอร่วมกับ protein modeling   recombinant DNA technology และ protein engineering ในการพัฒนาโปรตีนพิษที่มีประสิทธิภาพสูง ต่อ lygus โดยการสลับและตัดต่อส่วน (domain) ของ Bt toxin จากแหล่งต่าง ๆ สร้างเป็น Bt toxin ชนิดใหม่ ที่ไม่สามารถพบได้ในธรรมชาติแต่มีประสิทธิภาพสูงตามต้องการ

ในช่วงท้าย Dr. Fischhoff กล่าวถึงความตระหนักของบริษัทต่อการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศของโลก อีกโจทย์หนึ่ง ของมอนซานโตจึงเกี่ยวข้องกับการสร้างผลกระทบต่อผลผลิตพืชโดยตรง ด้วยการเพิ่มความต้านทานต่อสภาพเครียด จากปัจจัยกายภาพ (abiotic stress)  นักวิทยาศาสตร์ทราบว่ายีนที่เกี่ยวข้องกับการเพิ่มผลผลิตนั้นมีมากมาย แต่ก็เป็นการยากที่จะระบุยีนที่มีผลกระทบสูงต่อการเพิ่มผลผลิตภายใต้สภาวะต่าง ๆ  เทคโนโลยีที่บริษัทเลือกที่จะพัฒนา คือ high-throughput phenotyping หรือการระบุลักษณะที่สามารถทำได้ครั้งละมาก ๆ ในเวลาอันสั้นภายใต้เงื่อนไข และสภาวะต่าง ๆ  เทคโนโลยีนี้ประกอบด้วย เรือนกระจกอัตโนมัติที่มาพร้อมกับระบบการเก็บภาพ ทำให้สามารถติดตาม การเปลี่ยนแปลงหรือการตอบสนองของพืชจำนวนมากในเวลาพร้อม ๆ กันได้โดยละเอียด และด้วยความร่วมมือกับ BASF Corporation บริษัทมอนซานโตสามารถพัฒนาพันธุ์ถั่วเหลืองที่ให้ผลผลิตที่สูงขึ้นได้สำเร็จ  บริษัทคาดว่า ปัจจัยในการเพิ่มผลผลิตคือการเปลียนแปลงของนาฬิกาวงจรชีวิต (circadian clock) ในถั่วเหลือง ทำให้ต้นถั่วเหลือง ตอบสนองโดยการเปลี่ยนแปลงจำนวนและขนาดของฝักถั่ว และบริษัทมอนซานโตยังสนใจพัฒนาพืชทนแล้ง โดยในโปรแกรมการปรับปรุงพันธุ์นี้จะบูรณาการเทคโนโลยีการปรับปรุงพันธุ์พืชกับเทคโนโลยีชีวภาพเข้าด้วยกัน

ถึงแม้จะเป็นบริษัทข้ามชาติขนาดใหญ่ ดร. Fischhoff ได้แสดงให้เห็นว่าการทำงานร่วมมือกับหลายหน่วยงานก็ยังเป็น สิ่งจำเป็น ไม่ว่าจะเป็นในด้านการพัฒนาองค์ความรู้ร่วมกับสถาบันการศึกษา การพัฒนาเทคโนโลยีและพันธุ์พืช ร่วมกับเอกชน และยังรวมถึงการร่วมมือกับองค์การต่างประเทศในการทดสอบพันธุ์พืชต่าง ๆ ด้วย ความร่วมมือเหล่านี้ นำไปสู่ความสำเร็จในการผลิตพันธุ์พืชที่มีลักษณะพึงประสงค์ และสามารถเพาะปลูกได้ในหลายประเทศทั่วโลก