سهم بيوتكنولوژي در اصلاح گياهان زراعي

بيوتكنولوژي به مجموعه روشهايي كه در طي چند سال اخير بر مبناي پيشرفت هاي حاصل در بيولوژي مولكولي و سلولي به وجود آمده است اطلاق مي گردد برخي از تكنيك ها مانند نجات جنين ، ريزازديادي و كشت گرده از چند دهه قبل توسط به نژادگران براي اصلاح گياهان زراعي به كار گرفته شده اند اما روش هاي ديگر مانند

تكنولوژي ماركرهاي مولكولي ، دستكاري ژن و انتقال ژنتيكي هنوز در مراحل اوليه ورود در برنامه هاي به نژادي هستند در اكثر موراد اساسا محصول به نژادي زياد تحت تاثير تكنيك ها و ابزار قرار نمي گيرند بلكه فرآيند به نژادي بيشتر تحت تاثير قرار مي گيرند ارقام اصلاح شده اي كه به كمك روش هاي مولكولي يا سلول توليد شده اند هنوز هم به روش متداول و به صورت بذر عرضه مي شوند.
تكنولوژي مولكولي و سلولي از دو روش اساس فرآيندهاي اصلاحي را تحت تاثير قرار مي دهند:
۱- افزايش راندمان گزينش .

۲- توليد فرم هاي جديدي از تنوع ژنتكي
اين كه آيا اين ابزار جايگزين موثر و عملي براي روش هاي به نژادي متداول هستند يا خير ، به اهداف ، نوع گياه زراعي و منابع قابل دسترسي بستگي دارد.
هدف از اين فصل اشاره به فرصت هاي موجود براي استفاده از بيوتكنولوژي جهت رسيدن به ثبات و پايداري بيشتر نظام هاي كشاورزي است يك نظام كشاورزي براي پايدار بودن به ده ها و يا قرن ها سال نياز دارد تا ضمن اينكه در جهت رفاه انسان عمل مي كند كيفيت محيط نيز حفظ مي شود.

محيط هاي اجتماعي و فيزيكي متفاوت داراي انواع مختلفي از نظام هاي توليد گياهان زراعي يا ارقام مختلف عمليات زراعي و شبكه هاي توزيع و فروش هستند علي رغم وجود راه هاي مختلف براي رسيدن به پايداري ، افزايش بيش از حد جمعيت عاملي است كه در حد نسبتا زيادي نظام هاي توليد كشاورزي را تهديد مي كند كشاورزي پايدار بايد از نظر توليد غذا و توانايي توزيع آن براي جمعيت موجود ، خودگردان باشد چنانچه جنبه اصولي نيازها و محدوديت هاي بلند مدت نظام هاي اجتماعي و بيولوژيكي بيشتر از منافع كوتاه مدت آن مورد توجه قرار مي گيرند در آن صورت نوآوري هاي بيوتكنوژي در راه رسيدن به يك زندگي مطلوب جهت انسان موثر واقع خواهد شد.

اين بحث منحصرا به بخش هايي از تحقيقات بيوتكنولوژي محدود مي شود كه در آن پيشرفت هاي كافي به دست آمده است و امكان بررسي نقش اين روش ها در افزايش ثبات و پايداري نظام هاي توليد كشاورزي ميسر است بحث پيرامون اين موضوع خواهد بود كه چگونه ماركرهاي مولكولي ، كشت بافت و تكنولوژي انتقال ژنتيكي در ارزيابي كاربرد افزايش تنوع ژنتيكي گياهان زراعي و كاهش وابستكي به عومال خارجي همانند نهادهاي كشاورزي ، مفيد واقع خواهد شد .بسياري از مثالهايي كه مورد بحث قرار خواهد گرفت در خصوص مقاومت به آفت و كاربردهاي آن در اصلاح برنج خواهد بود.تاكيد ما بر روي برنج به دليل اهميت اين گياه زراعي براي انسان و به دليل فعاليت هاي هماهنگ بين المللي براي توسعه و نيز بكارگيري رهيافت هاي يبوتكنولوژيكي در اصلاح برنج مي باشد.

در عين حال اين مطلب به ارزيابي محدوديت هاي موجود در بيوتكنولوژي و اينكه چگونه پيشرفت هاي آتي ممكن است واقعيت هاي فعلي را تغيير دهد خواهد پرداخت علي رغم تحول سريع تكنيك هاي مولكولي و سلولي نكته مهمي كه بايد مد نظر داشت اين است كه احتمالا هنوز موثرترين فرصت ها براي استفاده از بيوتكنولوژي در اصلاح گياهان زراعي براي كشاورزي پايدار بكار گرفته نشده است.
ارزيابي و استفاده از تنوع ژنتيكي

تنوع ژنتيكي از ملزومات اصلاح نباتات است كه از تكامل طبيعي ناشي شده و جزء مهمي از پايداري نظامهاي بيولوژيكي مي باشد كه از نظر اكولوژيكي متعادل هستند. تنوع باعث تامين قابليت سازگاري دراز مدت و بقاي جمعيت مي شود. در مواردي كه درجه تطابق افراد بستگي به اقليم، عوامل خاكي و اجزاي زنده محيط تغيير مي كند، جمع آوري افرادي با درجه تطابق مختلف به تنوع ژنتيكي جمعيت كمك مي كند. نظامهاي طبيعي از نظر ژنتيكي پيچيده هستند، در حالي كه نظامهاي كشاورزي موجود جلوة ساده اي از آن پيچيدگي هستند. در بخش آينده نقش سه نوع از ابزار بسيار متفاوت بيوتكنولوژي تعريف و سهم آنها در ارزيابي و ارتقاي تنوع ژنتيكي براي استفاده در گياهان زراعي مورد بحث قرار خواهد گرفت.

در طول زمان، اصلاح گياهان زراعي براي كشاورزي نوين، همواره منجر به كاهش تنوع ژنتيكي شده است. زيرا غالباً ژنوتيپهاي سودمند و پرمحصول در سطح وسيع به صورت تك كشتي، كشت مي شوند. براي مثال در سال ۱۹۸۴ سطح زير كشت واريته برنج در حدود ۵/۱۰ ميليون هكتار برآورد شده است چنين استقبال وسيعي از يك واريته اين برد حاكي از گسترش تعداد اندكي از ژنها در سطح يك منطقه جغرافيايي وسيع است. علي رغم اينكه اين پديده موفقيت شايان ذكري را در به نژادي گياهان بدنبال داشته است ولي با مشكلاتي مانند چرخه هاي اپيدمي آفت كه قبل از انقلاب سبز غيرقابل پيش بيني بود، مواجه شده است.

كشت گسترده گياهان زراعي كه از نظر ژنتيكي يكنواخت هستند ممكن است، علي رغم مزاياي كوتاه مدتي كه از نظر بهبود عملكرد دارد، از طريق تاثير سطوح غيرقابل دسترس گزينش بر جمعيت آفت، در طولاني مدت ثبات عملكرد را بهم بزند. اين فشار گزينشي ممكن است در محيطهايي كه براي شيوع آفات مستعد هستند، نتايج جبران ناپذيري را بدنبال داشته باشد. از جمله مهمترين مثالها در اين خصوص مي توان به شيوع بيماري سوختگي جبران ناپذيري را بدنبال داشته باشد. از جمله مهمترين مثالها در اين خصوص مي توان به شيوع بيماري سوختگي برگ ذرتكه در سال ۱۹۷۱ در ايالات متحده اتفاق افتاد و شكسته شدن مقاومت به زنجره قهوه اي برنج در آسيا،

طي دهه ۱۹۷۰ اشاره نمود در برنج نيز تغييرات سريع در نژادهاي بيماري سوختگي باعث شد كه اين تغيير از نظر زماني جلوتر از فعاليتهاي به نژادي براي توليد ارقام مقاوم باشد. به نژادگران گياهي دائماً در جستجوي اشكال جديد هستند. ثبات عملكرد يكي از اجزاي مهم كشاورزي پايدار بوده و اگر بتوان سطوح بالايي از تنوع ژنتيكي مفيد را در نظامهاي كشت پر محصول تركيب نمود‌، مي توان به آن دسترسي پيدا كرد.
به نژادگران هر دو نوع تنوع ژنتيكي متداول و جديد را در اختيار دارند. تنوع ژنتيكي گست

رده اي كه به طور طبيعي در اكثر گونه ها يافت مي شود، فرصت بسيار مناسبي را براي اصلاح گياهان زراعي در اختيار قرار مي دهد. كلكيسونهاي ژرم پلاسم محلي (in situ) و يا غيرمحلي (ex situ) به اين منظور ايجاد شده اند تا چنين تنوعي را در اختيار اهداف به نژادي قرار دهند. يكي از وظايف بيوتكنولوژي اين است كه ژرم پلاسم به ساده ترين شكل در دسترس قرار دهد. در حال حاضر اشكال جديدي از تنوع كه از طريق مهندسي ژنتيك به وجود آمده اند نيز در مخازن ژنتيكي وجود دارد كه مي توانند در تكنولوژي انتقال ژنتيكي بكار گرفته شوند. استفاده بيشتر از تنوع ژنتيكي موجود مي تواند به ثبات محصولات كشاورزي و در نتيجه به قابليت پايداري كمك كند. روشهايي كه در اينجا مورد بحث قرار مي گيرند عبارتند از ماركرهاي مولكولي، كشت بافت و سلول و انتقال ژنتيكي.

ماركرهاي مولكولي
طي دهه اخير دو نوع از ماركرهاي DNA تحت عنوان RFLP و RAPD به عنوان مهمترين روشها براي تهيه نقشه هاي ژنومي مورد استفاده قرار گرفته اند. اين ماركرها به عنوان ابزارهاي مناسبي در پزشكي و كشاورزي كاربرد دارند. ماركرهاي DNA امكان ارزيابي تنوع ژنتيكي و تعيين وجود يا عدم وجود ژنهاي مورد نظر در سطح ژنوتيپي را فراهم مي كنند. روشهاي جديد ماركرهاي مولكولي به دليل كاهش تدريجي در هزينه ها و سهولت در استفاده، جاذبه كاربرد اين تكنولوژي را در بين اصلاح كنندگان افزايش مي دهد.

در تكنولوژي RFLP از قطعات DNA كلون يافته (ماركرها) به عنوان پروب يا كاوشگر براي تعيين تنوع ژنتيكي استفاده مي شود. تفاوتهاي ژنتيكي بين موجودات زنده ناشي از موتاسيون و يا تغييراتي است كه طي زمان در اين DNA وجود مي آيد. روشهاي ماركر مبتني بر آنزيمهاي DNA تغييراتي را كه به صورت اختلاف در اندازه قطعات كه به وسيله آنزيمهاي محدود كننده برش داده مي شوند را مشخص مي كند.

شكل جديدتر ماركر مولكولي و يا به عبارتي PAPD قطعاتي از DNA را تشكيل مي دهد كه از ژنوتيپ مورد نظر در شرايط مصنوعي تكثير شده و به صورت باندهايي با وزن مولكولي مختلف روي ژل آگاروز مي تونان مشاهده كرد. اين طي واكنش PCR كه در آن از اوليگونوكلئوئيد به همراه آنزيم DNA پلي مراز (آنزيمي كه امكان سنتز رشته مكمل DNA از روي رشته DNA قالب را فراهم مي كند) و DNA ژنوتيپ گياه صورت مي گيرد چنانچه پرايمر در موقعيت صحيح ناحيه ژنوم باند شود و در فاصله كوتاه (كمتر از ۵ كيلو باز) از يكديگر باشد در اين واكنش قطعه DNA ازديا مي شود بنابراين تفاوت هاي موجود در توالي نوكلئوتيد باعث مي شود كه نقاطي كه در آن پرايمر متصل شده است متفاوت و در نتيجه اندازه قطعه اي كه طي واكنش RADP ازدياد شده است نيز متفاوت باشد.

ماركرهاي RELP,RADP معرف لوساي ژنتيكي هستند كه مي توان محل كروموزمي آنها را تعيين و با استفاده از آناليز لينكيج از آنها به عنوان ماركرهايي براي ژنهاي با خصوصويات مهم زراعي استفاده كردRELP اولين بار توسط بوتستين و همكاران به عنوان ماركر ژنتيكي مفيد شناخته شد از آن به بعد براي تيه نقشه ژنتيكي گونه هاي مهمي از گياهان زراعي مهمي مانند گوجه فرنگي ، ذرت ، يونجه ، برنج، سيب زميني ، جو وفلفل و سويا از RELP نقشه هايي ژنتيكي تعدادي از باكتري ها و قارچ هاي مهم نيز بر مبناي ماركرهاي ملكولي تهيه شده است كه در اصلاح نباتات كاربرد دارند.

نقش ماركرهاي مولكولي در ارزيابي ژرم پلاسم
از انجا كه اختلالات محيطي ، اكوسيستم هايي را كه ژرم پلاسم در آنها يافته و هم اكنون نيز وجود دارند را تهديد مي كند جمع آوري ژرم پلاسم تلاشي در جهت حفاظت از تنوع ژنتيكي مي باشد از دست رفتن تنوع ژنتيكي باعث شده است كه توجه و نگراني ها در سطح جهاني نسبت به وضعيت محيطي كره زمين افزايش يابد و به همين منظور سياست هاي بين المللي حفاظت از تنوع زيستي شكل بگيرد.ارزش واقعي كلكسيون هاي ژرم پلاسم براي برنامه اصلاح جز با طبقه بندي ارزيابي و نگهداري صحيح از آنها قابل درك نيست.

ماركرهاي موكولي مانند آبزوزايم و روشهاي آناليز ميتوكندريها و كلروپلاست ها مي توانند در ارزيابي تنوع ژنتيكي جمعيت هاي طبيعي و كلكسيون هاي ژرم پلاسم مفيد واقع مي شوند در طي ۱۵ سال گذشته از اين ماركرها به طور موثري در برنج توسط تعدادي از محققين بكار گرفته شده است.
همچنين از ماركرهاي مولكولي براي ارزيابي كلكسيون جهاني ذرت و گونه هاي مختلف Brassica لوبيا ، گوجه فرنگي ، سيب زميني و بعضي گياهان ديگر استفاده شده است.

علي رغم توانايي بسيار زياد ماركرهاي مولكولي هنوز ابهامات زيادي وجود دارد كه بايد قبل از تحقيق كامل اين تكنولوژي به آنها پاسخ داده شود به عنوان مثال عدم تنوع در سطح مولكولي الزاما به منزله عدم وجود تنوع ژنتيكي مفيد براي اصلاح كننده نيست به طور مثال برخي از گياهان زراعي (نظير گوجه فرنگي،خربزه،گندم) هنگامي كه با استفاده از آنزيم هاي محدود كننده مورد ارزيابي قرار گرفتندن پلي مورفيسم (چندشكلي) بسيار جزئي از خود نشان دادند اين گياهان از نظر مروفولوژيكي داراي تنوع زيادي هستند كه مي توان با برنامه هاي متداول به نژادي به پيشرفت هاي ژنتيكي خوبي يافت اين در حالي است كه در ذرت پلي مرفيسم بسيار مناسبي از ماركرهاي

مولكولي RAPD,RFLD به دست آمده است كه حتما بايد از اين ماركرهاي مولكولي به عنوان ابزار ابزار مفيدي براي تشخيص لاينهاي اينبرد خويشاوند استفاده كرد.
يكي از مزيت هاي استفاده از ماركرهاي RAPD اين است كه مي توان DNA را در نمونه هاي بسيار كوچكي از مواد گياهي از هر يك از اندام هاي گياه و يا حتي از نمونه هاي موجود در هر باريومها به دست آورد از اين رو