بیوشیمی ذرت

مقدمه
در جهان پيچيده امروز پايايي و دوام ملت‌ها منوط به تحقيقات اساسي در كليه زمينه‌هاي كشاورزي، صنعت و … است. تحقيقات ضامن خودكفايي و استقلال كشور است. رونق كشاورزي يك بعد توسعه است كه ما در رسيدن به خودكفايي و در نهايت به استقلال اقتصادي كه ضامن استقلال سياسي است، كمك زيادي مي‌كند. تحقق اين اهداف مقدس و بي‌نيازي از واردات مواد غذايي اهميت ويژه‌اي دارد و ما ناچاريم به اين سلاح، مسلح شويم. زيرا امروز سلاح مواد غذايي بزرگترين اهرم قدرت است كه و كشورهاي پيشرفته و صنعتي عليه يكديگر و عليه كشورهاي جهان سوم بكار مي‌گيرند.

براي خودكفايي در زمينه كشاورزي، علاوه بر افزايش سطح كشت و افزايش عملكرد در واحد سطح، بايستي استفاده از واريته‌هايي را كه داراي ارزش غذايي بالايي (بدون تاثير بر عملكرد) هستند، نيز مهم دانست. عدم كنترل جمعيت و رشد روزافزون آن در جهان و تامين نيازهاي غذايي بشر بيشتر از هر چيز ذهن انسان را به خود مشغول كرده است. لذا توجه به بهبود كيفيت و كميت امري الزامي است.

جمعيت دنيا در حال حاضر متجاوز از ۶ ميليارد نفر مي‌باشد كه كمبود غذا، قحطي و گرسنگي دامنگير بيش از ۷۰۰ ميليون نفر بوده و بالغ بر ۳ ميليارد نفر داراي سوء تغذيه وجود دارند. عليرغم پيشرفت‌هاي قابل توجه در علوم، بدليل كمبود مواد غذايي اكنون بيش از ۵/۱ ميليارد نفر به سوء تغذيه و بيماري‌هاي ناشي از آن مبتلا هستند.

طبق آمار سازمان برنامه و بودجه، طي ۲۵ سال آينده، جمعيت ايران به دو برابر خواهد رسيد. تامين غذاي اين جمعيت به عهده بخش كشاورزي مي‌باشد. مي‌بايست با برنامه‌ريزي صحيح، كنترل جمعيت، تهيه نظام كشت و بهره‌برداري درست از منابع توليد و نيروي انساني، ماشين‌آلات، آب و خاك، بهره‌برداري از علوم ژنتيك و اصلاح نباتات، توليد ارقام مقاوم و واريته‌هاي پرمحصول و داراي كيفيت مناسب در اين امر مهم كوشا بود. كارشناسان و محققان با ايجاد تغييرات ژنتيكي در گياهان زراع سعي دارند كه هرچه بيشتر بر ميزان توليد افزوده و كيفيت محصولات را نيز بهبود بخشيد.

متاسفانه كشور ما يكي از بزرگترين واردكنندگان مواد غذايي است و بخش مهمي از واردات را فرآورده هاي دامي تشكيل مي‌دهد. از جمله راه‌هاي تامين پروتئين حيواني در داخل كشور، افزايش توليد گوشت طيور است. براي تهيه خوراك دام و طيور از مواد غذايي مختلفي استفاده مي‌گردد، كه بيشترين آن ذرت مي‌باشد و بيشترين رقم واردات بعد از گندم را به خود اختصاص داده است. ذرات از نظر مواد غذايي قابل هضم و انرژي، در ميانه غلات در درجه اول اهميت قرار گرفته است، اما كيفيت پروتئين آن پايين است.

در ذرت معمولي ميزان دو اسيد آمينه ضروري ليزين و تريپتوفان پايين است. اگر ذرت اساس تغذيه باشد، مي‌بايست اين كمبود را به هنگام تغذيه طيور و انسان با افزودن مواد دارنده اين اسيدآمينه‌ها برطرف نمود. با كشف ذرت، اوپك ـ ۲ توسط مرتز و همكاران در سال ۱۹۶۴ اميدواري‌هايي براي بهبود كيفيت پروتئين ذرت بوجود آمد، ولي عملكرد ذرت اوپك ـ ۲ معمولاً كمتر از ذرت نرمال مي‌باشد. اصلاح‌گران به دنبال راه‌هايي هستند كه علاوه بر واردكردن ژن اوپك ـ ۲، عملكرد را به سطح ذرت نرمال برسانند.

اصلاح براي كيفيت پروتئين ذرت
مقدمه
ذرت بطور متوسط در ۸/۱۲۸ ميليون هكتار از اراضي سراسر جهان در سال‌هاي ۸۷-۱۹۸۵ كشت مي‌شد كه ۳/۸۰ ميليون هكتار يا ۶۲% آن در كشورهاي در حال توسعه بوده است. (فائو، ۱۹۸۸) كل توليد ذرت بر اساس متوسط سال‌هاي ۸۷-۱۹۸۵، ۹/۴۷۷ ميليون تن بوده است و ۷/۱۷۶ ميليون تن آن مربوط به كشورهاي در حال توسعه است. در كشورهاي توسعه يافته، ۷۸% از ذرت توليدي براي تغذيه دام استفاده مي‌شود و فقط ۶% به عنوان غذا، در حالي كه در كشورهاي كمترتوسعه يافته، ۵۰% به عنوان علوفه و ۴۰% به عنوان غذا مصرف مي‌شود، باقي‌مانده براي اشكال صنعتي يا توليد بذر استفاده مي‌شود.
گرچه در ابتدا ذرت به عنوان يك منبع فراهم آورنده كالري مورد توجه بوده است. مجموع پروتئين آن نيز قابل توجه است. در سال‌هاي ۸۷-۱۹۸۵ ذرت تقريباً ۴۳ ميليون تن پروتئين عرصه كرده است (با فرض محتواي پروتئين ۹%) كه مي‌تواند با ۳۹ ميليون تن پروتئين حاصل از سويا (با محتواي پروتئين ۳۸%) مقايسه شود.

الف) مقدار پروتئين ذرت
حيوانات تك‌معده‌اي و انسان قادر به سنتز اسيدهاي آمينه ضروري نيستند، لذا لازم است مقادير كافي از اين اسيدها براي سنتز پروتئين فراهم شود. ارزش بيولوژيكي پروتئين ذرت معمولي براي حيوانات تك‌معده‌اي و انسان محدود است، زيرا تركيب آمينواسيدهاي آن نامناسب است. آمينواسيدها تا زمان بروز محدوديت يكي از آنها، در ذرت پروتئين بكار برده مي‌شوند. (ميستر، ۱۹۶۵) براي انسان ليزين، اولين آمينواسيد محدودكننده در ذرت است. (كيس و همكاران ، ۱۹۶۵، برساني و همكاران ، ۱۹۶۸، اگوم ، ۱۹۷۴) و دومي تريپتوفان است. (برساني، ۱۹۷۵) در حالي كه براي خوك تريپتوفان در درجه اول و ليزين در درجه دوم قرار دارد (بيكر و همكاران ، ۱۹۶۵). كيفيت پروتئين در غلات توسط نشريات مختلفي دسته‌بندي شده است و اخيراً توسط (برايت و شوري، ۱۹۸۳ و اولسن و فري، ۱۹۸۷) بازنگري شده است.

ب) ذرت با پروتئين بالا
تحقيقات با هدف افزايش ارزش غذايي ذرت بر روي تغليظ پروتئين آن متمركز شده است كه در دانه و سيلو تحت تاثير تركيب ژنتيكي گياه و محيط قرار دارد. (كلوور و مرتز ، ۱۹۸۷)
آزمايشات انتخاب كلاسيك براي محتواي پروتئين زياد و كم در دانه ذرت كه در ايستگاه آزمايشات كشاورزي ايلينويز شروع شد، بصيرت لازم در مورد امكانات و محدوديت‌هاي انتخاب متناوب براي يك صفت پلي‌ژنيك را فراهم آورد. پس از ۷۰ نسل انتخاب محتواي پروتئين ايلينويز از ۹/۱۰% در جمعيت اوليه به ۶/۲۶% در استرين‌هاي پروتئين ايلينويز (IHP) رسيد. (دودلي ، ۱۹۷۴)

پس از ۷۶ نسل انتخاب دودلي (۱۹۷۷) نتيجه گرفت كه محدوديت نظري انتخاب هنوز بروز نكرده است، اما يك همبستگي منفي بين عملكرد دانه و درصد پروتئين دانه استرين IHP اتفاق افتاده است. او اصلاح براي سطح متوسط پروتئين و پيشرفت عملكرد را براي افزايش توليد پروتئين در هكتار مطرح كرده است.

IHP به عنوان يك منبع‌هاي پروتئين در برنامه‌هاي اصلاحي متنوعي بكار رفته است. در رژيم پلاسمي كه محتوي ۴ لاين مربوط به IHP بود، (پالرمو و همكاران ، ۱۹۸۷، الف و ب) هيچ رابطه‌اي بين عملكرد دانه و درصد پروتئين دانه پيدا نكردند. پالرمو (۱۹۹۰، مكاتبات خصوصي) گزارش كرده است كه چندين هيبريد با

محتواي پروتئين افزايش يافته براي تهيه سيلو جهت احشام در آلمان غربي آزاد شده است. محتواي پروتئين دانه آنها ۱۲% بوده است، در مقابل ۱۰% محتواي هيبريدهاي استانداردي كه از نظر رسيدگي و عملكرد دانه با آنها قابل مقايسه بودند. اگرچه پروتئين و عملكرد پروتئين گزارش شده است.

ج) ذرت با كيفيت بالاي پروتئين
يك مفهوم نويدبخش‌تر براي بالابردن ارزش غذايي ذرت توسعه كيفيت پروتئين آن است. اولين قدم بزرگ در اين زمينه، كشف تاثير موتانت‌هاي اوپك ـ ۲ و فلوري ـ ۲ بر روي ليزين و تريپتوفان محتوي پروتئين اندوسپرم ذرت بود. (مرتز و همكاران ، ۱۹۶۴ و نلسون و همكاران ، ۱۹۶۵)

موتانت‌هاي اضافي معرفي شده‌اند كه پروتئين اندوسپرم ذرت را متحول كرده‌اند. (بخش II توجه شود) برنامه‌هاي اصلاحي با توسعه رژيم پلاسم‌هايي شروع شد (لاين‌هاي اينرد اليت براي مناطق معتدله و جمعيت‌هاي اليت براي مناطق حاره) كه حاوي موتان‌هاي عمدتاً اوپك ـ ۲ بودند. بزودي چندين عقب‌ماندگي در رژيم پلاسم اوپك ـ ۲ ظاهر شد، شامل كاهش عملكرد، نرمي و تيره‌شدن دانه، ظهور گچي‌شدن، خشك‌شدن آهسته‌تر در مزرعه و حساسيت بيشتر به پوسيدگي بلال نسبت به ذرت نرمال.

بلافاصله پس از ظهور آن مشكلات، محققين مختلفي تنوع براي اندوسپرم سخت را در ذرت اوپك ـ ۲ سازگار به مناطق معتدله و حاره مشاهده كردند. در اوايل دهه ۱۹۷۰ محققين در سيميت شروع كردند به توسعه جمعيت‌هاي اوپك ـ ۲ با اندوسپرم سخت كه با ذرت با كيفيت [QPM] خوانده مي‌شد و انتظار مي‌رفت كه يك تنوع باارزش براي كاهش سوء تغذيه ساخته شود. در اين بازنگري، اصلاح براي افزايش كيفيت پروتئين تشريح مي‌شود، تاريخچه اصلاح QPM مطرح مي‌گردد و چهارچوب گياهان آينده در توسعه QPM عنوان مي‌گردد.

۲- موتانت‌هاي كيفيت پروتئين
الف: ژنتيك
ژنوم ذرت محتوي لوكوس‌هايي بر روي چندين كروموزوم است كه بر روي تنوع خصوصيات نشاسته و پروتئين اندوسپرم تاثير مي‌گذارند. اين بخش ژنتيك ارزش موتان‌ها مختلف و پتانسيل استفاده از آنها در برنامه‌هاي عملي اصلاح نباتات شرح داده مي‌شود.
دراوايل دهه ۱۹۶۰، دانشمندان علاقه خاصي به جستجوي ژن‌هاي موتانتي كه مي‌توانستند كيفيت بهتري در پروتئين اندوسپرم ذرت ايجاد كنند، ابراز داشتند. در ادامه موفقيت‌ها با اوپك ـ ۲ و فلوري ـ ۲ شروع شد. جستجو براي موتان‌هاي جديدي كه بتوانند پروفيل آمينواسيد را اصلاح كنند، خصوصاً با افزايش غلظت ليزين و تريپتوفان ادامه يافت.
در ميان موتان‌هاي اضافي، اوپك ـ ۷ (مك ويرتر ، ۱۹۷۱، ميسرا و همكاران ، ۱۹۷۲)؛ اوپك ـ ۶ (ما و نلسون ، ۱۹۷۵)؛ فلوري ـ ۳ (ما و نلسون، ۱۹۷۵)؛ دفكتيو. بي ـ ۳۰ (سالاميني و همكاران ، ۱۹۷۵) و ماكروفيت (سالاميني و همكاران، ۱۹۸۳) گزارش شده است.
بجز اپك ـ ۲ كه تا حدي بررسي شده است، هيچكدام از آن موتان‌ها هيچ استفاده عملي در برنامه‌هاي اصلاحي نداشتند. اطلاعات بيشتر درباره آنها در مقالات برايت و شوري (۱۹۸۳)، نلسون (۱۹۷۹) و كلوور و مارتز (۱۹۸۷) آمده است.
موتانت‌هاي اوپك ـ ۲، فلوري ـ ۲ و اوپك ـ ۷ به ترتيب بر روي كروموزم‌هاي ۱۰٫۴٫۷ قرار دارند. هر دو موتان اوپك ـ ۲ و اوپك ـ ۷ به عنوان مغلوب ساده عمل مي‌كنند، در حالي كه فلوري ـ ۲ حالت نيمه غالبيت را نشان مي‌دهد. از اين رو اوپك ـ ۲ و اوپك ـ ۷ حالت نيمه غالبيت را نشان مي‌دهد. فقط موقعي اثر آنها در اندوسپرم بروز مي‌كند كه سه عامل مغلوب حضور داشته باشد. اين هم در مورد دانه و هم خصوصيات شيميايي صادق است.
از طرف ديگر اوپك ـ ۲ اثر خود را در فنوتيپ دانه و كيفيت پروتئين بروز مي‌دهد و اثر آن بسته به تعداد آلل‌هاي غالب و مغلوب در اندوسپرم تريپلوئيد تغيير مي‌كند. همه آن موتان‌ها يك خصوصيات مشتركي دارند، شامل كاهش نسبت پرولامين (زئين) در پروتئين، نرمي، اندوسپرم گچي و كاهش مقدار ماده خشك. نقش آن ژن‌ها در كنترل و بوسنتز پروتئين‌هاي ذخيره در مطالعات متعددي آزمون گرديده است. (لاركينز و همكاران ، ۱۹۸۲؛ برايت شوري ، ۱۹۸۳؛ تاي ، ۱۹۸۳؛ گلوور و مرتز ، ۱۹۸۷) تشخيص داده شده كه بيشتر موتان‌هاي باليزين بالا از ساخت اجزاء يا ساب يونيت‌هاي متشكله بخش زئين جلوگيري مي‌كنند.

از اين رو هر كدام از آن موتانت‌ها بر روي سنتز بيش از يك پروتئين اثر مي‌گذارند. (نلسون ، ۱۹۶۹؛ ما و نلسون ، ۱۹۷۵؛ ديفونزو و همكاران ، ۱۹۸۰) آنها ژن‌هاي رگولاتوري را توضيح داده‌اند. سنتز زئين در حدود ۱۲ روز پس از گرده‌افشاني شروع مي‌شود و بين ۱۶ و ۳۵ روز پس از گرده‌افشاني فعال است. (تاي و دالبي ، ۱۹۷۴؛ تاي و همكاران، ۱۹۷۸؛ اوكس و همكاران ، ۱۹۷۹ و ول و بيتز ، ۱۹۸۷). در موتان اوپك ـ ۲ از ۳۵ روز بعد از گرده افشاني به بعد از افزايش زئين كم يا هيچ است. در حالي كه در ژنوتيپ‌هاي نرمال افزايش زئين مي‌تواند تا ۵۰ روز پس از گرده‌افشاني انجام شود، (تاي و دالبي، ۱۹۷۴؛ تاي، ۱۹۷۹).
زئين به ۴ گروه منفصل تقسيم مي‌شود كه بر اساس وزن مولكولي تعيين شده بوسيله SDS-PAGE انجام مي‌شود. بزرگترين آلفا ـ زئين ناميده مي‌شود و بوسيله يك خانواده مولتي‌ژن بزرگ كد مي‌شود. (هاژن و روبنستين ، ۱۹۸۱)

گروه‌هاي ديگر، بتا، دلتا و گامازئين بوسيله يك يا دو ژن كد مي‌شوند. بعضي از ژن‌ها ممكن است فقط از يك جزء اصلي جلوگيري كنند. (آلفا زئين در اوپك ـ ۲) يا دو جزء (آلفا و بتازئين در فلوري ـ ۲) و بقيه ممكن است از ساخت تمام اجزاء جلوگيري كنند، مانند مورد اوپك ـ ۶ و ماكرونيت.

اوپك ـ ۲ نسخه‌برداري از ژن زئين خصوصاً الفا ـ زئين‌ها را منظماً تعديل و تضعيف مي‌كند. در تركيب‌هاي دابل موتانت‌ شامل فقط موتانت‌هاي ليزين، اوپك ـ ۲ و اوپك ـ ۷٫ به نظر مي‌رسد كه نسبت به فلوري ـ ۲، حالت اپي استازي دارند، اما ظاهراً با مكروفيت در جلوگيري از سنتز زئين همكاري دارند. هرچند اوپك ـ ۲ و اوپك ـ ۷ به روش افزايشي مانع سنتز زئين مي‌شوند. اوپك ـ ۲ و اوپك ـ ۷ پايين‌ترين نسبت تجمع زئين را طي دوره رشد نرمال نشان مي‌دهند، در حالي كه فلوري ـ ۲ سطح متوسط بين ذرت نرمال و ذرت اوپك ـ ۲ را نشان مي‌دهد.

خصوصيات بيوشيميايي

مقالات گذشته، خلاصه‌اي از تحقيقات بر روي بيوشيمي پروتئين اندسپرم ذرت را فراهم كرده است. (وال و پائوليس ، ۱۹۷۸؛ تاي، ۱۹۸۳؛ ويلسون، ۱۹۸۳؛ گلوور و مرتز ، ۱۹۸۷؛ گلوور، ۱۹۸۸؛ شوت ول و لاركينز ، ۱۹۸۹)
پروتئين دانه ذرت را مي‌توان بر اساس حلاليت آنها (اوسبورن و مندل ، ۱۹۱۴)، به چهار گروه اصلي تقسيم كرد:
۱٫ آلبومين (محلول در آب)
۲٫ گلوبولين (محلول در آب نمك)

۳٫ پرولامين و يا زئين (محلول در الكل)
۴٫ گلوتلين (محلول در اسيد يا باز)
اخيراً با استفاده از طرح لاندري ـ موريوكس (۱۹۷۰) دسته‌بندي اجزاء پروتئين قدري متفاوت شده است. با اين روش ميسرا و همكاران (۱۹۷۵)، پنج جزء پروتئيني را تعريف كرده‌اند:
جزء I (آلبومين‌ها و گلوبولين)
جزء II (زئين)

جزء III (شبه زئين)
جزء IV (شبيه گلوتلين)
جزء V (گلوتلين حقيقي)
تفاوت در تركيب آمينواسيدها، بين اندوسپرم ذرت نرمال و موتانت، ابتداً در تركيب آمينواسيدها بين اندوسپرم ذرت نرمال و موتانت، ابتداً ناشي از تفاوت در مقادير نسبي اجزاء مختلف است. (ميسرا و همكاران، ۱۹۷۵)
جدول زير توزيع اجزاء پروتئين در سه جمعيت ذرت با سابقه ژنتيكي تاكسينو را نشان مي‌دهد: معمولي، اوپك ـ ۲ نرم، اوپك ـ ۲ با اندوسپرم سخت [QPM]. ژن اوپك ـ ۲ شديداً مقدار جزء II (زئين حقيقي) را كاهش مي‌دهد و ساير اجزاء خصوصاً جزء I (آلبومين و گلوبولين) و جزء V (گلوتامين) را افزايش مي‌دهد. جزء III (شبه زئين) اغلب در اندوسپرم ذرت اوپك ـ ۲ تغيير يافته [QPM] افزايش مي‌يابد. ساير مولفين هم تاريخ مشابهي بدست آورده‌اند. (جنتينتا و همكاران ، ۱۹۷۵؛ اورتگا و باتس ، ۱۹۸۳؛ اورتگا و همكاران، ۱۹۹۱)
جدول ۱: توزيع اجزاء پروتئين نمونه‌هاي اندوسپرم نرمال، اندوسپرم نرم (اوپك ـ ۲) و استرين‌هاي QPM تاكسينو – ۱ و متوسط ۲ اينبرد آمريكايي
مرجع: اجزاء پروتئين، سيميت، محتوي ليزين اجزاء مختلف بر طبق ميسرا و همكاران (۱۹۷۶)

متوسط محتوي ليزين ۳ اينرد امريكايي* درصد از كل پروتئين ( g/100g پروتئين) جزء
تاكسينو – ۱
(QPM) تاكسينو – ۰۲
(نرم) تاكسيو – ۱
(نرمال)
۲/۶ ۱۲ ۱۷ ۶/۶ I آلبومين‌ها ـ گلوبولين و نيتروژن محلول
۱/۰ ۲/۹ ۷/۹ ۷/۴۸ II زئين
۵/۰ ۷/۲۲ ۴/۱۳ ۱۴ IIIشبه زئين
۶/۱ ۴/۱۵ ۲/۱۷ ۲/۹ IV شبيه گلوتلين
۷/۶ ۴/۳۲ ۵/۳۴ ۱۷ V گلوتلين حقيقي
۴/۷ ۱/۸ ۵/۴ باقيمانده
* oh43+w22+(normals)

طبق ميسرا و همكاران (۱۹۷۶) پروتئين جزء I و جزء V ژرم پلاسم آمريكايي به ترتيب ليزين بيشتر است تا ذرت نرمال، زيرا آن نسبت بزرگتري از اجزاء I و V دارد و نسبت كمتري از جزء II (زئين) كه شامل ۵۰% كل پروتئين در ذرت معمولي است و اغلب ليسين و تريپتوفان ندارد.
با روش لاندري ـ موراكس، پروتئين‌هاي ذخيره‌اي در محلوليت اجزاء II, III, IV بروز مي‌كند. نتيجتاً تركيب آمينواسيدهاي آن اجزاء شديداً بوسيله آلفا، بتا و گاما زئين تحت تاثير قرار مي‌گيرند. والاس و همكاران (۱۹۹۰) روشي را تشريح كردند كه تمام پروتئين‌هاي ذخيره‌اي (آلفا، بتا، گاما و دلتا) را از پروتئينغيرذخيره‌اي و همچنين زئين غيرمحلول جدا مي‌كند. ابتدا كل پروتئين را در دنيچرينگ بافر در شرايط احيايي حل مي‌كنند و سپس تا ۷۰% الكل اضافه مي‌كنند.
نتايج تجزيه به آنها نشان داد كه پروتئين QPM در مقايسه با اوپك ـ ۲ نرم و نرمال ۳-۴ برابر افزايش گاما ـ زئين داشته است. اين پروتئين محتواي بالايي از پرولين (۲۵%) و سيستئين (۷%) دارد. مولفين نتيجه گرفته‌اند كه به احتمال قوي، تغيير فنوتيپ QPM به علت مقادير زيادتر گاما ـ زئين آن است.