وبسایت شخصی مهندس نوریان

بيوک رئيسي
پژوهشکده بيوتکنولوژي کشاورزي شمالغرب و غرب کشور
T.V.suslow, B.R.Thomas, K.J.Bradford. 2003. Biotechnology Provides new tools for plant breeding. Agriculture Biotechnology in california series. PP1-19

بيوتكنولوژي مفهوم گسترده‌اي است كه به استفاده از موجودات زنده و مشتقات حاصل از آنها براي توليد محصولات مفيد و سودآور اطلاق مي‌شود. اين تعريف كلي كليه فعاليتهاي مرتبط با صنايع سركه، تخمير خمير نان، مواد آلي، مواد توليدي براي كنترل حشرات و اصلاح گياهان و جانوران و محصولات توليدي و حيوانات اهلي را در بردارد. در حقيقت علم كشاورزي به تنهايي مي‌تواند منشاء تكنولوژي زيستي باشد. قرن اخير با افزايش اطلاعات حاصل از ژنتيك و اصلاح نباتات در ما مواجه با بهبود عملكرد گياه چه از لحاظ كمي چه از لحاظ كيفيت مي‌باشيم. هم‌اكنون تكنولوژي جديد DNA نوتركيب اجازه تشخيص‌هاي و شناسايي‌ ، جداسازي و حتي تغيير ژنهاي و محصولات حاصل از آنها را در موجودات زنده به منظور ايجاد واريته‌هاي تراريخت فراهم مي‌كند. اين تكنولوژيها مكمل و افزايش‌دهنده دقت روشهاي سنتي اصلاحي به منظور افزايش غذا، فيبر و ساير محصولات حاصل از كشاورزي هستند. كشاورزان در آمريكا، كانادا و آرژانتين و ساير كشورها به سرعت با واريته‌هاي تراريخت و مهندسي ژنتيك شده آشنا شده‌اند. در بين سالهاي 1996 الي 2001، توليدات جهان محصولات تراريخت مانند سويا، پنبه، ذرت و كانوا، سير افزايش را داشته و نزديك به 125 ميليون آكروز (50 ميليون هكتار) از سطح زير كشت را به خود اختصاص داده است.
كشاورزان ايالت كاليفرنيا بالغ بر 350 محصول متفاوت را توليد كرده‌اند كه 79 تا از اين محصولات ملي معرفي گرديد. كاليفرنيا همچنين اولين توليد كننده غذاهاي تجارتي حاصل از واريته‌هاي ترانسژنيك مي‌باشد، گوجه‌فرنگي calgen,s flouer به طور گسترده در سالهاي 1994 در سطح تجارتي مورد كشت قرار گرفت اگر چه سهم قابل توجهي از محصول بازارهاي فروش را به به خود اختصاص نداده است. با اين حال بعد از آن فروش جهان محصولات زراعي تراريختي مانند ذرت، سويا و پنبه در مديترانه و جنوب امريكا، به طور قابل توجهي گسترش يافت. توليدات قابل توجه تجاري واريته‌هاي پنبه در كاليفرنيا از سال 1999 در كاليفرنيا آغاز شده و به سرعت، توليدات اين محصولات افزايش يافته است. ساير محصولات تراريخت ديگر در حال گسترش در كاليفرنيا مي‌باشد.
بهرحال معرفي محصولات تراريخت هيچ وقت با اطمينان كامل نبوده است و همواره در انجام اين تكنيكهاي جديد خطرات ناشناخته‌اي وجود دارد كه در مقايسه با روشهاي سنتي اصلاح نباتات معيارهاي غير قابل پذيرش را براي مصرف آنها ايجاد مي‌كند.
اين مقاله اساس ژنتيكي اصلاح نباتات و اينكه چگونه روشهاي سنتي اصلاح نباتات عمل مي‌كند و مقايسه بين روشهاي كلاسيك و نوين بيوتكنولوژي در اصلاح نباتات را مورد توصيف و بررسي قرار مي‌دهد.

اساس ژنتيكي اصلاح نباتات:

علم كشاورزي بر مبناي اهلي كردن گياهان وحشي و ايجاد محصولات منطبق بر نياز ما عمل مي‌كند. بشر در حدود ده هزار سال پيش زماني كه به كاشت و داشت واريته‌هاي خاصي از گياهان اقدام نمود، كشاورزي را براي توليد غذا ابداع كرد و لذا گياهان بوسيله انتخاب و انتقال صفات به نسلهاي بعد بهبود يافت. بعنوان مثال اهلي كردن ذرت بوسيله كشاورزان گذشته صورت گرفت. عمده صفات تغيير يافته مرتبط با اهلي كردن گياهان بود بعنوان مثال صفات (افزايش در توليد بذر، كاشت آسان، اندازه بزرگتر و ميزان محصول برداشت شده و تغيير در شكل ظاهري و كاهش و از بين بردن سوبستراهاي و مواد سمي و غيره ) بوسيله تمدن‌هاي كشاورزي گذشته مانند چين و مصر و ماديان صورت پذيرفت بعلاوه، اين محصولات كم‌كم با شرايط آب و هوايي خاص منطقه مورد كاشت تطابق و سازگاري يافتند و بنابراين از لحاظ ژنتيكي، صفاتي همچون كيفيت، مقاومت به استرس و مقاومت به بيماري در عملكرد مناسب را به دنبال خود همراه داشت. گياهان اهلي شده در كشاورزي بر اساس نتايج حاصل از تغيير ژنتيكي گياهان وحشي در هزاران سال پيش بوجود آمده‌اند. مطالعات علمي در مورد ژنتيك در حدود سال 1900 ميلادي با فعاليتهاي گرگور مندل آغاز شد. ما حالا مي‌دانيم كه ژنها واحدهاي وراثتي هستند كه از جنس رشته DNA كه در داخل كروموزم موجود در هسته همه سلولهاي موجودات زنده است استقرار يافته‌اند، البته بعضي از ويروسها حاوي ژنومي با تركيب DNA هستند. همه واحدهاي ژنتيكي موجود در كروموزم شامل 4 تركيب در مولكول DNA خود مي‌باشند. آدنين (A) تيمين (T) سيتوزين (C) گوانين، نزديك به هزار كلمه را مي‌توان با 26 حرف از الفباي انگليسي ايجاد كرد، هزاران ژن متفاوت از هم و خاص (تقريباً 9 هزار تا در مخمرهاي تك سلولي و 20000 در گياهان آغازيان و حدود 35000 ژن در انسان وجود دارد) كه مي‌تواند تنها از 4 باز آلي موجود در رشته DNA بوجود آيد و هر ژن تقريباً حدود 500 تا 2000 باز مي‌باشد در سيستم‌هاي بيولوژيك داخل سلول، اين واحدهاي نوكلئوتيدي قادر است به پروتئين تبديل شود كه در توالي خاصي از DNA يك پروتئين خاصي مربوط با خود را كد مي‌كند. فعاليت اين پروتئينها و وظايف و عملكرد آنها در موجودات مشخص شده است. موجوداتي كه توليد مثل جنسي دارند دو نسخه از كروموزمها را شامل مي شود و در طي فرآيند توليد مثل والدين بطور تصادفي يكي از كروموزمها را از ميان دو جفت به فرزندان و نتاج خود منتقل مي‌كند بنابراين نتاج متفاوت از همان والدين يكسان از لحاظ ژنتيكي بوجود مي‌آيد. با انتخاب افراد برتر از يك نسل مي‌تواند آنها را بعنوان والدين نسل بعد انتخاب و مورد آميزش قرار داد. و در نتيجه از اين طريق صفات مورد نظر و دلخواه را در نسل بعد افزايش داد و منجر به كاهش صفات نا مطلوب گشت، درك اصل ژنتيك و كاربردهاي آن در متد‌هاي اصلاح نباتات موجب بهبود مناسب و معقول نباتات گرديد. واريته‌هاي محصولات مدرن از لحاظ ژنتيك يكنواختي در عملكرد را نسبت به واريته‌هاي گذشته دارند. اصلاحگران جستجوي دائمي را براي شناسايي تركيبهاي ژنتيكي جديد را از گياهان مورد انتخاب بر اساس صفات مطلوب را انجام مي دهند به عنوان مثال صفاتي مانند كيفيت محصول، عملكرد منطقه‌اي، مقاومت به آفات و بيماريها از صفاتي هستند كه همواره مورد توجه قرار مي‌گيرد. اصلاحگران معمولاً به تلاقي مابين دو ژنوتيپ براي ايجاد تركيبات جديد ژنتيك صفات كه نهايتاً در فنوتيپ ظهور مي‌كند، مبادرت مي‌ورزند منبع اوليه تنوع ژنتيكي در ژرم پلاسم داخل در گونه گياهي وجود دارد و و بطور عمده مرتبط با گونه‌هاي وحشي است كه قادر هستند در داخل خود گشني كنند. براي بسياري از گونه‌هاي گياهي اصلاحگران عمدتاً ژنهايي را كه در گونه‌هاي وحشي قبلاً وجود دارد و باعث افزايش تنوع ژنتيكي مي‌شوند را انتخاب مي‌كند. هيبريداسيون و دورگ‌گيري بين گياهان و گونه‌هاي وحشي امكان دستيابي به ژنهاي باارزش را و انتقال آنها را براي بهبود عملكرد ژنتيك محصولات زراعي فراهم مي‌كند. به عنوان مثال همه محصولات تجارتي حاوي يك مقاومت تركيبي به قارچها و باكتريها و بيماريهاي ويروسي هستند كه عمدتاً از گونه‌هاي وحشي نشات گرفته است (اينتروگرسيون= انتقال ژنهاي مقاومت از يك گونه به گونه ديگر از طريق تلاقي با حفظ ساختاز ژنتيكي گياه گيرنده) تنوع ژنتيكي مي‌تواند همچنين از طريق جهش القائي افزايش يابد يا تغيير در ساختار DNA هرگياه باعث افزايش ميزان تنوع خواهد شد. در سال 1950 بالغ بر 2000 واريته گياه از طريق جهشهاي تصادفي القائي باعث تغيير صفات ژنتيكي گرديد. و سپس انتخاب از ميان اين نتاج باعث بهبود عملكرد آنها شد. روشهاي ويژه هيبريداسيون همچنين ميزان يكنواخت در توليد عملكرد را افزايش داده دانشمندان در سال 1920 به اين نكته پي بردند كه بعضي از محصولات مانند ذرت بطور مداوم به علت خود گردافشان داخل خود تلاقي مي‌يابند و ايجاد همخون مي‌كند و در نتيجه ميزان هتروزيسي و برتري بسرعت طي چندين نسل متوالي رو به كاهش خواهد بود بهرحال اگر دو گياه اينبرد ويژه را با يكديگر تلاقي دهيم در نتاج حاصل كه با نماد F1 نشان داده مي‌شود غالباً در نتيجه پديده هتروزيسي و هيبريدي ويگور ميزان عملكرد نتاج از ميانگين عملكرد والدين بيشتر خواهد بود. اين پديده بعنوان هتروزيسي يا هيبريدي ويگور است كه اساس ايجاد بسياري از بذرهاي هيبريد براي ذرت، سورگوم و آفتابگردان و بسياري از سبزيجات مي‌باشد. توليد دانه‌هاي هيبريد نيازمند دستكاري ژنتيكي براي توليد والدين اينبريد مي‌باشد. يك تلاقي خاص بين دو والد و ايجاد نتاج F1 براي زارعان بايد تعريف شود در نتيجه گياهان حاصل از اين بذرهاي هيبريد، در فنوتيپ فرد، هتروزيس مغلوب را نشان مي دهند اما بايد بخاطر داشت كه در نسل F2 متعاقب از F1 اين ميزان سود مندي در نتيجه ترتيب و در كنار هم قرار گرفتن تصادفي اللهاي(گامتهاي) حاصل از بين خواهد رفت. و بنابراين زارعان براي رفع اين مشكل بايد به خريد بذرهاي جديد F1 بمنظور دستيابي به همان عملكرد بالا اقدام و مبادرت ورزند. صرفنظر از اينكه تنوع ژنتيكي بر اساس روشهايي، مديريت مي‌شود نتاج حاصل بايد مداوماً براي شناسايي گياهان والد آزمون مي‌شود. فلذا اصلاحگران نباتات بايد جمعيت بزرگي از گياهان را با استفاده از روشهاي مختلف (انتخاب انفرادي، لاين بردينك، انتخاب فاملي) آزمون كنند به طور كلي، تنها در صد كمي از گياهان قادر هستند كه صفات مطلوب را در خود نشان دهند و بنابراين از بين جمعيت بزرگ تعداد كمي به عنوان والدين نسل بعد انتخاب مي‌شود. با تركيب روشهاي مناسب و عملي زراعي و بهبود ژنتيك واريته‌هاي زراعي بطور تصاعدي با افزايش عملكرد محصول و كيفيت آن مواجه خواهيم شد. بطور كلي تخمين زده مي‌شود كه تقريباً نصف افزايش در عملكرد محصول در 50 سال اخير در نتيجه بهبود ژنتيكي گياهان حاصل شده است و نصف ديگر آن مربوط به بهبود مديريت و تكنيكهاي مرتبط با آن (كود، آبياري، كنترل بيماريها و آفات مي‌باشد). هر دو مراكز تحقيقاتي دولتي و شركتهاي خصوصي موجب بهبود عملكرد محصولات زراعي مي‌شوند. سازمانهاي خصوصي عمدتاً بدنبال خصوصياتي هستند كه بهبود آنها ميزان فروش محصولات مورد عرضه را تحت تاثير قرار مي‌دهند. در سال 1930، سازمان ثبت اختراع امريكا به اصلاحگران اجازه داد كه از مقررات تدوين شده براي واريته‌هاي گياهي و بسياري از نهالهاي درختان و سبزيجات استفاده كنند و در سال 1970 سازمان حمايت از واريته‌‌هاي گياهي، مقررات خاصي را براي توسعه واريته‌هاي ژنتيكي خاص در بهبود عملكرد تصويب كرد، بهرحال واريته‌هاي هيبريد F1 نمي‌توانست شامل اين قوانين شود چرا كه در نتيجه و نسل‌گيري از آنها نمي‌تواند بر خلاف محصولات تجارتي و واريته‌هاي خودگشني مانند سويا و گندم و پنبه به همان نتايج مورد انتظار رسيد.

روشهاي كمكي براي بهبود عملكرد گياهان:

روشهاي اصلاحي كه در بالا مورد توصيف قرار گرفت بطور قابل ملاحظه قادر به بهبود عملكرد و كيفيت محصولات مدرن امروزي هستند. ابزارهاي كمكي نيز همچنين براي بهبود و افزايش عملكرد ژنتيكي در محصولات زراعي وجود دارد. به همراه روشهاي اصلاحي كلاسيك و متداول اين روشها نيز نسلهاي بسياري براي برآورد مناسبتر نيازهاي مورد نظر ما در اصلاح نباتات بوجود آمده است.

پيوندزدن و تكنيكهاي كشت بافت:
پيوند بافت از دو واريته متفاوت از گونه‌هاي گياهان از زمانهاي بسيار قديم در گياهان چوبي و درختان مورد استفاده قرار مي‌گيرد، برش قطعه خاصي از يك واريته و پيوند آن به ساقه از گياه با منشاء ژنتيكي متفاوت معمولاً براي افزايش مقاومت به بيماري، افزايش توليد و عملكرد و تحريك رشد اين محصولات مورد استفاده قرار مي‌گرفت، واريته‌هاي با پتانسيل ژنتيكي مناسب حاصل از طريق موتاسيون القائي يا تلاقي جنسي مي‌تواند بسرعت از طريق پيوندزدن به واريته‌هاي ديگر تكثير شوند.

كشت بافت:
كاربرد كشت بافت در بهبود عملكرد گياهان از سال 1940 آغاز شده است در ساده‌ترين (مفهوم)، كشت بافت به روشي اطلاق مي‌شود كه در آن جنين مورد كشت يا يك گياه كوچك در آزمايشگاه در يك محيط مغذي قرار مي گيرد تا اينكه مرحله انتقال آن به خاك در آن فرا رسد. قطعات با قابليت رشد بسيار (مريستم‌ها) ويژگيها مناسب براي دوباره بوجود آوردن يك گياه كامل از يك سلول را دارند. تحت شرايط كاملاً كنترل شده بافتهائي مي توانند از گياه جدا شود و سلولهاي آن جدا شود و هر كدام از آنها رشد داده شود كه اين توده سلولي حاصل از كشت بافت كالوس ناميده مي شوند. كه قدرت بسيار مناسب براي توليد يك گياه كامل را دارد. اين تكنيك (كشت بافت) مي تواند به عنوان يكي از شيوه هاي مناسب براي تكثير و بهبود عملكرد گياهان مورد استفاده قرار ميگيرد.

ميكرو پرو پاگيشن:

ميكروپرو پاگيشن توليد چندين كپي از يك گياه منفرد با استفاده از تكنيكهاي كشت بافت مي باشد. غالباًَ بافتهاي مورد استفاده بافتهاي مريستمي است كه در جاهايي كه برگهاي جديد و ساقه توليد مي شود هر قطعه قادر است كه منجر به ايجاد يك گياه كامل شود. در بسياري از موارد ويروسها ئي كه منجر به آلودگي گياهان مي شوند در اين قطعات كوچك وجود ندارد و بنابراين از طريق اين تكنيك مي توان گياهان بالغ عاري از ويروس ايجاد كرد. به عنوان مثال روش تكثير معمولي در سيب زميني از طريق غده يا بذر مي باشد در نتيجه گال هايي كه از شبدرهاي مورد كشت در سال قبل بوده قادر به انتقال ويروس به محصولات جديد هر سال مي باشد. و نتيجتاًَ شيوع بيماري در گياه باعث كاهش ميزان عملكرد مي شود. با استفاده از روش ميكروپروپاگيشن سيب زميني و گياهان galic در آزمايشگاه مي توان امكان شيوع و ابتلا به بيماري هاي ويروسي را با كاشت گياهان عاري از ويروس كاهش دارد و نتيجتاًَ باعث افزايش قابل توجه محصول شد. روش ميكروپرو پاگيشن يكي از روشهاي كاربردي براي توليد محصولات كشاورزي مي باشد . و براي تكثير بسياري از محصولات از اين روش استفاده مي شود .

كشت جنين:

كشت جنين معمولاًَ در گياهان هيبريدي كه از تلاقي والدين وحشي حاصل مي شود مورد استفاده قرار مي گيرد كه معمولاًَ‌از تلاقي والدين توليد بذرهاي زاياي بالغ با مشكل روبروست. در اين مورد بافتهاي جنين نابالغ را مي توان از تبديل شدن به بذر بالغ ممانعت كرد و در آزمايشگاه از كشت جنين به گياهان هيبريد رسيد. كشت جنين اصلاح گر را كمك مي كند تا بطور موفقيت آميزي به ايجاد تلاقي بين والدين وحشي شمار زيادي از گونه ها براي دستيابي به طيف وسيعي از ژنها بپردازد و از اين طريق باعث بهبود عملكرد ژنتيكي گياهان شود، تلاقي چنين گياهان و كشت جنين ابزارهاي سودمندي هستند كه به خصوص باعث انتقال ژنهاي مربوط به مقاومت از والدين و خويشاوندان وحشي به محصولات زراعي مي شود.

كشت Anther ( بساك ):

كشت Anther بساك يكي از كاربردهاي ويژه واريته هاي هيبريد مي باشد و قدم اول است براي توسعه لاينهاي والدين اينبرد بوسيله خود گرده افشاني مداوم تكثير مي شود. اين روش مي تواند در بعضي از محصولات بسيار فرايند كند باشد منجمله در پياز و هويج كه به طور معمول براي گلدهي نياز به 2 سال دارد بهر حال با استفاده از كشت دانه گرد در آزمايشگاه ، گياهان هيبريد كه شامل يك كپي از كرموزوم خود هستند مي‌توانند توليد كنند اين گياهان مي‌توانند با روشهاي القائي كروموزمها خود را مضاعف كنند كه از جمله اين روشها تيمارهاي شيميايي است كه نتيجه سريعي را در برداشت و منجر به توليد دو سري كروموزم مشابه مي‌شود. اين روش به طور تصاعدي باعث كاهش زمان مورد نياز براي ايجاد والدين اينبرد در واريته‌هاي هيبريد F1 و سودمندي انتخاب صفات مغلوب مي‌شود.

كشت سلولي (كشت كالوس):

كشت كالوس همچنين براي توليد جنينهاي چندگانه كه مي‌تواند رشد كرده و به گياه كامل تبديل شود مورد استفاده قرار گيرد. در اين روش تعداد نامحدودي گياه مي‌تواند با كشت سلول بدست آيد. تنوع سوماكلوني، تنوع ژنتيكي است كه كه در بخش كوچكي از سلولهاي حاصل از كشت كالوس بدست مي‌آيد. بسيار از گياهان قادرند از كالوسهاي كه از لحاظ ژنتيكي يكسان هستند بدست آيد. به عنوان مثال واريته‌هاي هويج و فلفل خوشخوراكي از ميان گياهاني كه از كشت منتج شده‌اند انتخاب مي‌شوند.

پروتوپلاست فيوژن:

پروتوپلاست فيوژن يكي ديگر از روشهاي توليد واريته‌هاي جديد ژنتيكي در آزمايشگاه مي باشد. يك پروتوپلاست از يك سلول گياهي كه ديواره سلولي آن با استفاده از آنزيم از بين رفته مي‌تواند با پروتوپلاست ديگر ادغام شود و DNA انها در يكديگر مخلوط شود سلولهاي ادغام شده سپس قادرند كه يك گياه كامل را بوجود بياورند. پروتوپلاست فيوژن همچنين براي انتقال نر عقيمي از گونه‌هاي براسيكا (كلزا) مورد استفاده قرار مي‌گيرد تا بذرهاي هيبريد F1 را توليد كند.

انتخاب براساس نشانگرها و اطلاعات ژنوم:

انتخاب براساس نشانگر ها بهبود تصاعدي در بازده روشهاي اصلاحي را كه با استفاده و بر اساس برآيند اثر ژنها صورت مي پذيرد باعث مي شود يك ماركر (يك ناحيه شناخته شده) در محل خاص از توالي DNA مي باشد. ماركرها مي توانند براي انتقال يك ژن از يك واريته به واريته جديد و يا براي آزمون گياهاني كه چند ژن به آنها انتقال يافته مورد استفاده قرار گيرد. نشانگر ها مي توانند بر اساس اطلاعات DNA يا پروتئين باشند. ماركرهاي DNA به شناسائي محلها ئي از توالي هاي DNA كه در واريته هاي مختلف با هم متفاوت‌اند مي پردازند. اين نشانگر ها مي توانند در محلهائي در داخل ژن يا بين دو ژن باشند. تفاوت در نشانگرها چند شكلي يا پلي مورفيسم مي گويند كه راههاي متفاوتي براي تعيين چند شكلي در داخل كروموزوم موجود مي‌باشد. ماركرهاي پروتئيني بر اساس تفاوت در پروتئين كه از يك ژن ساخته مي شود طراحي شده اند. آنزيم‌ها پروتئينهايي هستند كه واكنشهاي شيميايي خاصي را كاتاليز مي كند و بنابراين مي توان فعاليت آنها را مورد ارزيابي قرار داد. گياهان معمولاًَ حاوي چندين نسخه از آنزيم‌هاي مشابه‌اي هستند كه به طور قابل ملاحضه اي از لحاظ اندازه و تغييرات و تفاوتهاي قابل تشخيص از هم دارند. اين نوع آنزيمها را ايزوزايم مي گويند كه اندازه آنها معمولاًَ در ژنوتيپهاي مختلف گياهي متفاوت مي باشد. در اين مورد ژنهاي كد كننده براي يك ايزوزايم خاص مي تواند بوسيله بررسي نحوه توارث ايزوزايم مورد شناسائي قرار گيرد. پروتئينهاي زيادي هم وجود دارند كه جزو گروه آنزيمها نيستند و به عنوان پروتئين ذخيره هاي دانه در دانه غلات قرار دارد كه مي‌توانند جداسازي، رنگ آميزي شوند و الگو هاي باندي متفاوتي را بر حسب خصوصيت ژنوتيپ حاوي آن پروتئين از خود بروز دهند. هر دو نشانگر هاي پروتئيني و DNA به طور گسترده در اصلاح نباتات مورد استفاده قرار مي گيرد اما در سالهاي اخير استفاده از نشانگرهاي DNA گسترش بيشتري داشته و در اولويت تحقيقات مي باشد شمار بسياري از نشانگر هاي مبتني DNA در نواحي مختلف موجودات شناسائي شده است و آنها تحت تاثير مرحله جوانه زدن به خوبي و با دقت مناسب مشخص شوند و در نتيجه گياهاني كه فاقد صفات مطلوب هستند پس از تست نشانگر مي توانند حذف شوند قبل از اينكه با هزينه سنگين آنها را به گلخانه و يا به مزارع كاشت انتقال داد. وقتي يك ژن خاصي از گياه وحشي به گياه زراعي از طريق تلاقي انتقال مي‌باشد بطور همزمان و تصادفي چندين ژن نامطلوب نيز غالباً از گياه وحشي انتقال مي يابد كه اين هميشه يك معضل ناخواسته است با استفاده از تلاقي متناوب در واريته‌هاي زراعي مي‌توان درصد سهم ژنهاي تيپ وحشي را از 50 درصد در F1 به 25 و 5/12 درصد كاهش داد و در نتيجه فقط به ژن مطلوب اجازه داد كه در نسلهاي مختلف حضور داشته باشد. روشهاي كلاسيك اصلاح نباتات نياز به ابزارهاي مناسبي دارند كه بتواند سودمنديهاي مورد نياز را حاصل نمايد بعنوان مثال يك آنزيم ايزوزايم به طور سريع در واريته‌هاي گوجه‌فرنگي حاوي ژن Mi (ژن مقاوم به نماتد) وجود دارد. ژن Mi بطور عمده در خويشاوندان نزديك وحشي گوجه‌فرنگي شناسايي شد و از اين خويشاوندان وحشي به واريته‌هاي زراعي از طريق آميزش جنسي و كشت جنين منتقل شده است. پيشرفتهاي حاصل براي ايجاد واريته‌هاي مقاوم به نماتد از طريق روشهاي كلاسيك آهسته مي باشد و نياز به كاشت گياهان حاصل و انتظار براي رشد و بلوغ آنها دارد و سپس امتحان مقاوم متعاقب آلودگي را مي‌طلبد. بعدها ژن كد كننده ايزوزايم خاص در والدين وحشي در روي كروموزمي كه ژن Mi وجود دارد مكان‌يابي شد. اين نشانگر ايزوزايم همراه با ژن Mi در تلاقيهاي جنسي منتقل مي‌شود. اين دو ژن فاصله بسيار كمي را در روي DNA از يكديگر دارند. بطوريكه از لحاظ ظاهري همه گياهاني كه در آنها ژن Mi به توارث مي‌رسد همچنين حاوي نشانگر ايزوزايم مربوطه خواهد بود و بعداً مشخص شد كه بين اين دو ژن پيوستگي وجود دارد و بنابراين اصلاحگران مي‌توانند از روي اين نشانگر ايزوزايم پيش‌بيني كنند كه در كدام گياهان ژن Mi انتقال يافته است. آزمون نشانگر ايزوزايم مي‌تواند بطور قابل توجه زمان آزمون كلاسيك موجود را كاهش دهد. نشانگرهاي DNA براي آزمون توارث بسياري از ژنها بطور همزمان به گياهان مفيد مي‌باشد و راهي ساده و مناسب استفاده از ابزارهاي قدرتمند براي بهبود عملكرد گياهان هستند. الگوهاي باندي UPC (كد گذاري) به اصلاحگر اجازه مي‌دهد كه تمامي ژنهاي مطلوب را شناسايي كند. همچنين نشانگرهاي DNA مي‌تواند براي اثبات انتقال ژنهاي مقاومت به آفات و يا براي انتخاب صفاتي كه توسط چندين لوكوس ژني با روابط پيچيده بين آنها كنترل مي‌شوند ( مثل صفت طعم ) ارزيابي والدين از لحاظ تنوع ژنتيكي مورد استفاده قرار گيرد. بـراي دستيابي به اطلاع بيشتر به بخش انگشت‌نگاري سبزيجات انتخاب بر اساس نشانگرهاي مولكولي با آدرس اينترنتي http: //vric.vcdavir.edu مراجعه كنيد.

تكنولوژي DNA نوتركيب:
تكنيك كلونينگ DNA
صفات اقتصادي در گياهان از طريق ژنهايي كه بر روي DNA اين گياهان وجود دارد كد مي‌شود در سال 1973 امكان شناسايي مولكولهاي DNA توسط محققين دانشگاه كاليفرنيا و استانفرد فراهم شد. آنها روشهايي كه براي جداسازي قطعات خاصي از مولكولهاي DNA ، اضافه كردن يك قطعه DNA به يك ناقل و استفاده از باكتريها بعنوان ماشينهاي همانندسازي بيولوژي و براي توليد مقادير زيادي از مولكولهاي DNA توسعه دادند . اين روشهاي DNA نوتركيب به محققان امكان داد تا ژنهاي مورد نظر را از هر موجودي جدا و آن را تكثير كنند و مقادير زيادي از اين ژنها را بدست آورند و خصوصيات و وظايف آنها را مورد بررسي قرار دهند. اين تكنيكها بر اساس آنزيمهاي برشي مي باشد كه مي‌تواند يك قطعه خاصي از DNA را شناسايي و آن را قطع كنند. انتهايDNA كه قطع مي‌شود مي‌تواند به دو صورت صاف و يا انتهايي چسبنده باشد. مفهوم انتهايي چسبنده اين است كه اين قطعات حاصل از برش قادرند به رشته‌هاي ديگر DNA كه توالي مكمل آنها را دارد متصل شوند. بنابراين اگر دو قطعه DNA با يك آنزيم بريده شود دو انتهاي چسبناك در دو طرف DNA هر يك بوجود مي‌آيد كه داراي توالي DNA مكمل و قابليت اتصال به يكديگر مي‌باشند بنابراين اگر آنزيم ليگاز در محيط باشد امكان اتصال فراهم مي‌شود اين توانايي موجب اتصال دو مولكول DNA متفاوت در آزمايشگاه و ايجاد مفهومي مي‌شود كه از اين بنام تكنولوژي DNA نوتركيب ياد مي شود در عمل يك ژن مطلوب را مي‌توان با استفاده از آنزيمهاي برشي، برش داد و آن را در داخل يك ناقل وارد كرده و به يك سلول باكتريايي انتقال داد. ناقل DNA (پلاسميد) قابل تكثير مي‌باشد و باعث توليد بسياري از قطعات حاوي DNA وارد شده مي‌شود بعلاوه پلاسميد حاوي ژنهاي مجزاي ديگري است كه مسؤل مقاومت آنتي‌بيوتيك در پلاسميد مي‌باشد بنابراين در صورت قراردادن پلاسميد حاوي ژن انتقال داده شد در محيط كشت، قابل شناسايي هستند ماركرهاي انتخاب بنابراين براي شناسايي سلولهاي كه ترانسفرم شده‌اند ضروري است از اين سلولها مي‌توانند در نهايت آن ژن را جدا و خالص‌سازي كنند. براي درك، اصول كلي DNA نوتركيب نمودار شماره 8 مراجعه شود علت موفقيت در تكنولوژي DNA نوتركيب اين است كه ساختار شيميايي DNA نوتركيب اين است كه ساختار شيميايي DNA در موجودات مختلف مشابه است و بنابراين دانشمندان امروزه مي‌توانند كپي‌ها و ژنهاي تغيير يافته را از يك موجود به موجود ديگر انتقال دهند. از لحظ تئوري هر ژني از يك موجود به موجود ديگر با استفاده از تكنولوژي DNA نوتركيب قابل انتقال مي باشد. ژن وارد شده به موجود مي تواند وظيفه خود را كه قبلاً برعهده داشته، انجام دهد. تكنولوژي DNA نوتركيب اصلاحگران نباتات را قادر ساخته كه از ژنهاي مفيد جدا شده در دسترس براي بهبود ژنتيكي عملكرد استفاده كنند، بدون اينكه نياز به خويشاوندي بين دو واريته مورد تلاقي باشد. توانايي جدا سازي قطعه هاي از DNA و تعيين توالي محتواي بازي آن سبب انفجار اطلاعات بيولوژيكي شده است. پروژه هاي ژنوم توالي DNAو همه ژنهاي موجود در يك فرد را مورد بررسي قرار مي دهند اطلاعاتي كه اخيراً از پروژه هاي ژنوم انسان حاصل شده است منجر به افزايش درك ما نسبت به بيماريهاي انسان و ابداع تيمارها و روشهاي درماني خاص شده است. توالي ژنوم يك مدل گياهي مانند آرابيدوسيس در دسامبر 2000 كامل شده است. اين پروژه ها به روشني حكايت از وجود تشابهات قابل توجه ژنتيكي بين نه تنها بيشترين گياهان بلكه همچنين بعضي از گياهان، حيوانات و ميكروارگانيسم‌ها دارد. اين نتايج به روشني وجود حفاظت در مسير حيات را نشان مي‌دهد.

تكنيكهاي ترانسفورماسيون:

ژنهايي كه ازيك موجود كلون مي شوند، آنها مي توانند به داخل همانگونه يا داخل ارگانيسم هاي متفاوت انتقال يابند و ايجاد افراد تراريخت را نمايند. بنابراين با استفاده از ساختار ژنتيكي ابتدا يي باكتري مي توانند يك ژن كلون شده را به طور نسبتا آسان به ديگران انتقال داد.بنابراين اولين كاربرد DNA نوتركيب انتقال ژنهاي مفيد به داخل باكتري مي باشد. اولين موجود ترانس ژن در سال 1981 مربوط به باكتري مهندسي ژنتيك بود كه هيدرو كربنات توليد مي كرد، هم اكنون اكثرا پنيرهاي با استفاده از كيموزين تهيه مي شوند كايموزين از استخراج ميكروبي، باكتريهاي كه ژن كايموزين در آنها كلون شده بدست مي آيد و اين روش در مقايسه با استخراج اين آنزيم از معده گوساله سودمندي و بازدهي مناسبي دارد. بيشترين انسولين مورد استفاده براي مصارف درماني ديابت در انسان با استفاده از تظاهر ژن انسولين انساني در ميكروبها مي باشد و بسياري از مواد داروئي در قارچها، حشرات و سلولهاي پستانداران مهندسي ژنتيك شده حاصل مي شود. انتقال ژنهاي كلون شده به داخل گياهان يك راه متفاوت از انتقال ژن به باكتري و سلولهاي حيواني است. بطور معمول اكثرا روشهاي ترانسفورماسيون با استفاده و بهر ه گيري از باكتري اگروباكتريوم براي انتقال به داخل گياهان صورت مي گيرد. وقتي اگروباكتريوم حاوي ژن وارد بافت گياهي ميشود DNA خود را به داخل كروموزوم گياهي تزريق مي كند و در نتيجه همراه با باكتري مذكور ژن مورد نظر در داخل گياه تكثير مي شود. در سال 1980 دانشمندان كشف كردند كه چطور با استفاده از آكروباكتريوم بتوانند ژنهاي كلون شده را به داخل كروموزومهاي گياهي منتقل منتقل كنند. ديدگاه دوم براي توليد گياهان تراريخت استفاده از روش بيوليستيكBolistic)) است كه در اين روش ، در اين روش DNA مورد نظر را با سرعت بسيار ذرات فلزي به داخل بافت گياهي وارد مي كنند و در نتيجه ادغام DNA با كروموزوم گياهي صورت مي گيرد. در سلولهاي تراريخت از اين طريق با استفاده از تكنيك كشت بافت قادر به تكثير هستند. روشهاي توليد گياهان تراريخت مي تواند براي افزايش تظاهر يا كاهش تظاهرات صفات در محصولات زراعي مورد استفاده قرار گيرد. در مرحله ايجاد كلونهاي DNA ، يك بخش مهم و بحراني در فرايند ترانسفورماسيون انتخاب افراد ترانس‌ژني است كه تنها يك بخش كوچك سلول يا بدر حاوي ژن مطلوب موردنظر مي‌باشد. بطور كلي تركيب يك ژن مرتبط با آنتي بيوتيك و سپس انتخاب تنها سلولهاي گياهي كه قادر به رشد در آنتي بيوتيك هستند. بعضي مردم عقيده دارند كه كاربرد گسترده چنين ژنهايي باعث افزايش مقاومت به آنتي‌بيوتيك در هنگام شيوع پاتوژنهاي انساني و ايجاد مشكلات پزشكي مي‌شود بهرحال احتمال اين چنين مواردي منتفي است آنتي‌بيوتيك كه براي ترانسفورماسيون در گياه استفاده مي‌شود. عمدتاً آنهايي هستند كه بندرت در پزشكي و دامپزشكي مورد استفاده قرار مي‌گيرد در غير اينصورت شكلهاي جايگزين ژنهاي نشانگر براي جايگزيني با روشهاي مقاومت آنتي‌بيوتيك بايد ابداع شود.
گياهان ترانس ژنتيك بعضي مواقع تحت عنوان GMO اطلاق مي‌شود عليرغم استفاده گسترده جهاني آنها اين اصطلاح گمراه كننده است چون همه گياهان اهلي و حيوانات اهلي به نوعي تغيير ژنتيك يافته هستند با اين تفاوت كه روش تغيير شكل از طريق كلاسيك يا نوين بوده‌است. اين گياهان مي‌توانند همچنين با اصطلاح ترانس ژنتيك معرفي شوند يعني گياهاني كه حاوي ژن كلون شده در خود مي‌باشند. تكنيكهايDNA نوتركيب و ترانسفورماسيون اجازه مي‌دهند به اصلاحگران تا از ژنهاي مهم از هر موجودي به عنوان ابزار براي بهبود محصولات كشاورزي استفاده كنند. به عنوان مثال‌براي افزايش تجمع بتاكاروتن در برنج(بتاكاروتن پيش ساز ويتامين A) يك برنج نوتركيب به نام برنج طلايي(Golden Rice) ايجاد شده است. دانشمندان از ژنهاي باكتري ، ويروس استفاده مي كنند. روشهاي ايجاد گياهان تراريخت موجب انتقال صفات مطلوب به گياهان و ايجاد تغييرات ويژه در صفت مورد علاقه مي‌شود برعكس بسياري از ژنهايي كه منتقل مي‌شود در زماني كه اصلاحگر از تلاقي طبيعي بين دو گياه استفاده مي‌كند، ناشناخته و غالباً نا مطلوب هستند به عنوان مثال وقتي ژن Mi كه عمل آن ايجاد مقاومت به نماتد است به داخل گوجه فرنگي از طريق تلاقي كلاسيك انتقال مي يابد، كل DNA دچار تغيير مي‌شود و اين تغيير 70 برابر بزرگتر از زماني است كه تنها ژن Mi را به گوجه‌فرنگي انتقال مي دهيم. بهرحال استفاده از ژن كلون شده Mi كه تنها براي انتقال صفت مقاومت به نماتد مي باشد بدون اينكه مقادير اضافي از DNA منتقل شود . درختان چوبي و محصولات ديگر با استفاده از روشهاي كلاسيك بطور متفاوتي بهبود ژنتيك مي يابند چون زمان طولاني براي بذر دهي و شروع گلدهي نياز است و صفات خاصي در بعضي از واريته‌ها به سختي به سختي و در طولاني مدت از يك گونه به گونه ديگر انتقال مي‌يابد به عبارت ديگر اگر تنها يك يا چند ژن مقاومت به بيماري‌ يا آفت. آن مهم است كه تركيب و ساختار ژنتيكي قبلي خود گياه تا حدالامكان حفظ شود بنابراين روشهاي انتقال ژن ممكن است ابزار مناسب را براي بهبود محصولات و درختان فراهم كند.

ديدگاههاي در حال توسعه در اصلاح نباتات:

اصلاحگران نباتات با استفاده از روشهاي كلاسيك منابع ژنتيكي محدودي را براي بهبود عملكرد محصولات زراعي دارند و روشهاي DNA نوتركيب امروز به طور قابل توجه‌اي اين منابع را افزايش مي دهند. واريته‌هاي ترانس ژن اگر چه از لحاظ سود اقتصادي براي كشاورزان مناسب هستند، ولي ميزان مصرف آنها كاهش مي‌يابد و استفاده از اين گياهان ميزان فرسايش خاك را به حداقل ممكن مي‌رساند. ديگر انتشارات سرويس خبري بيوتكنولوژي كشاورزي كاليفرنيا توليدات مشابه ترانس ژنتيك و مباحث پيرامون معرف آنها را شرح خواهد داد.

دانلود فایل اصلی مقاله از سایت دانشگاه کالیفرنیا - دیویس