استفاده از روش اصلاحی هاپلوئیدی در غلات

چکیده
تولید هایلوئید و به دنیال آن دابلد هاپلوئید (Doubled haploids) باعث دستیابی به هموزیگوتی مطلق از گیاهان هتروزگوت (F3 یا F1) در حداقل ممکن گردد. از نقطه نظر اصلاحی در گیاهان خودگشن، همچون غلات، دستیابی به لاینهای هموزیگوت می تواند باعث سرعت بخشیدن و همچنین افزایش کارایی گزینش در برنامه های اصلاحی شود.

در حال حاضر روشهای مختلفی از قبیل پرچم، دانه گرده، تخمدان، تخمک و حذف کروموزومی برای تولید هاپلوئید در گیاهان زراعی موجود می باشند. شرایط لازم جهت انتخاب و بکارگیری یک سیستم تولید هاپلوئید برای برنامه هیا اصلاحی عبارتند از: ۱-میزان کافی تولید هاپلوئید کهد از نظر اقتصادی مقرون به صرفه باشد ۲-لاینهای دابلد هاپلوئید بدین انده می بایست از نظر سیتولوژیکی پایدار و طبیعی باشد ۳-لاینهای کتولید شده می بایست یک نمونه تصادیف از گامتهای والدین باشند.

تولید هاپلوئید از طریق گشت پرچم ساده ترین و معمولترین روش می باشد که در بسیاری موارد میزان تولید گزارش شده قابل ملاحظه می باشند. متاسفانه وابستگی ژنتیکی در غالب گزارشهای یاد شده به چشم یم خورد، بطوری که فقط بعضی از ژنوتیپ ها نسبت به یک تکنیک کشت پرچم واکنش مطلوب نشان می دهند. از طرف دیگر ظهور گیاهان آلبینو یک مشکل اساسی در ایم سیستم محسوب می شود.

تولید هاپلوئید از طریق حذف کروموزومی مبنی بر تلقیح بین دو گونه گیاهی می باشد که بعد از تلقیح و در طول تشکیل جنین کروموزومهای یکی از والدین حذف گردیده و باعث ایجاد جنین و بدنبال آن گیاهچه های هاپلوئید یم شود.

تولید هاپلوئید از طریق حذف کروموزومی برای اولین بار در جو در نتیجه تلاقی با جو وحشی گزارش شد که به خاطر مزیتهای آن نسبت به روشهای دیگر مورد توجه قرار گرفت. تولید هاپلوئید از طریق حذف کروموزومی در گندم در نتیجه تلاقی با ذرت اخیراً در انگلستان گزارش شد. در ایران این روش تولید هاپلوئید در گندم مورد نظر موسسه اصلاح بذر می باشد. پروژه تولید هاپلوئید در گندم با همکاری بخش غلات و بخش فیزیولوژی موسسه اصلاح بذر از سال ۱۳۷۱ آغاز گردیده و نتایج آن در مقاله جداگانه اراده خواهد شد.

مقدمه

در حال حاضر گرایش فزاینده ای برای تولید انبوه هاپلوئید در غلات و سایر گیاهان زراعی و باغی وجود دارد. هاپلوئید استفاده های فراوانی در تحقیقات ژنتیکی و برنامه هیا اصلاحی از قبیل تعیین نقشهد های ژنتیکی، تعیین همولوژی در یک ژنوم و همچنین بین ژنومها، تسهیل مطالعات موتاسیون، تسهیل مطالعات صفات کمی، سرعت بخشیدن به برنامه های اصلاحی و افزایش کارآیی سلکسیون دارند. در این مقاله استفاده از هاپلوئیدها در برنامه های اصلاحی با تاکید در غلات ارائه یم گردد.

مزایای روش اصلاحی هاپلوئید (Doubled haploid system)
از نظر اصلاحی در گیاهان خودگشن همچون غلات، سیستم دابلد هاپلوئید می تواند مستقیماً جهت تولید ارقام جدید استفاده شود. زیرا هر لاین دابلد هاپلوئید تولید شده پتانسیل تبدیل شدن به یک کالتیوار جدید را دارا می باشد. مزایای اصلی سیستم دابلد هاپلوئید در مقایسه با روشهای کلاسیک اصلاحی بشرح ذیل است:
۱-سرعت بخشیدن به برنامه اصلاحی
۲-افزایش کارایی سلکسیون در طول برنامه

۱-سرعت بخشیدن به برنامه اصلاحی
در روشهای کلاسیک اصلاحی (پدیدگری، بالک) حدوداً ۶ نسل خودگشنی جهت دستیابی به حد نصاب کافی هموزیگوتی بعد از کراس اولیه زمان لازم است. هر نسل خودگشنی باعث کاهش هتروزیگوسیتی و افزایش هموزیگوسیتی می گردد. با n تعداد ژن، نسبت گیاهان هموزیگوت بعد از m نسل خودگشنی را می توان با فرمول محاسبه نمود. برای مثال با درنظر گرفتن ۵ جفت ژن مستقل بعد از ۵ نسل خودگشنی حدوداً ۸۵% گیاهان هموزیگوت خواهند بود.
بدیهی است که با درنظر گرفتن کلیه ژنهای حتی بعد از تعداد زیاید نسلهای خودگشنی هموزیگوسیتی کامل بدست نمی آید. مهمترین مزیت سیستم دابلد هاپلوئیدی دستیابی به هموزیگوسیتی در حداقل زمان ممکن می باشد و بعد از تولید هاپلو.ئید از گیاهان هتروزیگوت (F1) و سپس دابلد هاپلوئید، هموزیگوسیتی مطلق بدون توجه به تعداد ژنهای در حال تفکیک حاصل میگردد. (شکل شماره ۱). این امتیاز جهت تثبیت ژنهای صفات کمی حائز اهمیت است.
۲-افزایش کارآیی سلکسیون:

الف-صفات کیفی (ژنهای اصلی): احتمال دستیابی به یک ژنوتیپ خاص مورد نظر (ترکیب خاصی از ژنها در شرایط هموزیگوت) با n تعداد ژن در نسل (۱/۴)nF2 در حالی که این احتمال با سیستم هاپلوئیدی در مقابل ۱/۶۴ در نسل F2 روشهای کلاسیک می شود.

ب-صفات کمی: امتیاز افزایش کارآیی سلکسیون در سیستم هاپلوئیدی بیشتر در مورد صفات کمی مورد توجه می باشد. اولا در این سیستم واریانس افزایشی تنها جز واریانس ژنتیکی در لاینها می باشد که ارزش واقعی بریدینگ آنها اشکار می سازد. در مقایسه در سیستمهای کلاسیک واریانس غالبیت نیز وجود دارد که باعث می شود ارزش واقعی بریدینگ آنها مبهم و پیچیده گردد (جدول شماره ۱). ثانیاً در سیستم هاپلوئیدی از آنجائی که لاینها هموزیگوت مطلق

می باشند، تمام گیاهان در یک واحد / قطعه آزمایشی از نظر ژنتیکی یکسان می باشند. درصورتی که سیستمهای کلاسیک مثل F3 و یا F4 از آنجائی که تفرق ژنتیکی در گیاهان داخل قطعه آزمایش صورت می گیرد باعث بروز اختلافات ژنتیکی داخل قطعه ازمایشی و در نتیجه بریدر می بایستی هم داخل قطعه و

همچنین بین قطعات آزمایشی سلکسیون را انجام دهد که تا حدودی باعث پیچیدگی و مستلزم دقت بیشار می باشد. در سیستم هاپلوئیدی سلکسیون فقی بین قطعات آزمایشی انجام می گیرد (جدول شماره ۲). ثالثاً تا آنجائی که حساسیت سلکسیون از یک نسل به نسل دیگر مطرح می باشد، لاینهیا دابلد هاپلوئید بواسطه هموزیگوسیتی مطلق یک همبستگی ژنتیکی کامل از والدین به نتاج نشان می دهند، در حالی که در سیستمهای کلاسیک هیچگاه چنین همبستگی کاملی وجود ندارد (جدول شماره ۳).

علیرغم موارد فوق استفاده از روش اصلاحی هاپلوئیدی به دلیل نیاز این سیستخم به امکانات آزمایشگاه گشت بافت، محیطهای قابل کنترل رشد، پرسنل متخصص، گسترده و همه جایی نمی باشد.

شرایط یک سیستم تولید هاپلوئید برای استفاده در برنامه های اصلاحی
با درنظر گرفتن مزایای سیستم تولید هاپلوئیدی نسبت به روشهای کلاسیک قبل از بکارگیری این روش باید توجه داشت که سیستم تولید هاپلوئید داریا ویژگی های لازم جهت استفاده در برنامه های اصلاحی می باشد. این شرایط شامل:
۱-۱-میزان تولید هاپلوئید

مهمترین معیار انتخاب یک روش تولید هایلوئیدی میزان تولید اقتصادی با درنظر گرفتن بودجه، پرسنل و امکانات آزمایشگاهی می باشد. در حال حاضر روشهای متنوع تولید هاپاوئید در گیاهان زراعی وجود دارد. بهرحال اکثر این روشها قادر به تولید اقتصاید هاپلوئید به یمزان قابل استفاده در برنامه های اصلاحی نیستند. از طرف دیگر سیستم تولید هاپلوئید نباید دارای وابستگی ژنتیکی باشد. لطوری که بعضی ژنوتیپ ها واکنش مطلوب و بعضی دیگر واکنش ضعیف نشان دهند. متایقانه ئابستگی ژنتیکی در بیشتر سیستمهای تولید هاپلوئید در گزارشهای منتشر شده به چشم می خورد.
۲-دابلد هاپلوئید می بایست از نظر ستولوژیکی و مورفولوژیکی طبیعی باشند این ملاک لستگی به روش و مسیر تولید هاپلوئید دارد. بطور کلی با روشهای کشت بافت از دو مسیر می تواند گیاه هاپلوئید ایجاد نمود.

الف-غیرمستقیم از طیرق کالوس، بعد از تولید کالوس از سلول هاپلوئید از طریق جنینهای رویشی و یا ارگان زایی گیاهچه های هاپلوئید بدست می آیند. گیاهان تولید شده از این مسیر ممکن است دارای ناپایداری کروموزومی (جابجائی ها، آنیوپلوئیدها، حذف بازوی کروموزومها) و ظهور گیاهان آلبینو (ناشی از ناپاداری کلروپلاست) شود.

بطور کلی موسانات ژنتیکی ناشی از فاز کالوس یک عامل منفی منفی در برنامه های هاپلوئید بریندینگ محسوب می شود.
ب-مستقیم بدون فاز کالوس، در این مورد گیاهچه های هاپلوئید بدون تشکیل کالوس تولید می شوند. برای مثال تولید هاپلوئید از جنینهای نارس حاصل تلاقی ذرت با گندم و تولید جنینهای رویشی مستقیماً از میکروسپور در جو از این گروه می باشند. گیاهان هاپلوئید بدست آمده از این مسیر نسبتاً پایدار، دارای ژنوم هاپلوئید n کروموزومی، بدون ناهنجاری کروموزومی و کلروپلاست پایدار هستند.

۳-دابلد هاپلوئید بدست آمده می بایست یک نمونه تصادفی گامتهای والدین باشند.
به عبارت دیگر سیستم تولید هاپلوئید نباید هیچگونه سلکسیون روی گامتهای والدین طی روند ایجاد هاپلوئید اعمال کند و هرگونه سلکسیون روی گامتهای (هاپلوئید) توسط بریدر انجام پذیرد. در مورد صفات کیفی (ژنهای اصلی) نسبت ۱:۱ از گامتهای والدین در دابلد هاپلوئید F1 انتظار می رود و در مورد صفات کمی میانگین عملکرد دابلد هاپلوئید F1 می بایستی مطابق با حد واسط عملکرد والدین باشد و هرگونه اختلاف معنی دار از نمایانگر سلکسیون گامتها به یک سو می باشد. گزارشات منتشر شده در مورد دابلد هاپلوئیدهای گندم و جو از طریق نلاقی وحشی تائید بر تصادفی بودن گامتها دارند (۲ و ۷).
روشهای تولیدی هاپلوئید

روشهای مختلفی برای تولید هاپلوئید (متعاقب آن دابلد هاپلوئید) در گیاهان زراعی وجود دارند. علاوه بر تکنیکهای کشت بافت روشهای دیگر مثل پارتینوژنز و آپوگامی نیز وجود دارند که به لحاظ اهمیت کمتر کاربردیشان در اینجا بحث نمی شوند.