چکیده

تنشهاي محیطی در کنار کاهش روز افزون زمین هاي زراعی و افزایش جمعیت جهانی تهدید جدي براي تولید کشاورزي و امنیت غذایی جهان محسوب میشود. اصلاح گیاهان زراعی براي تحمل به تنشهاي غیرزیستی از مدتها قبل یکی از اهداف مهم متخصصین امر کشاورزي بوده است. موفقیت در اصلاح ارقام متحمل به تنشها به درك و فهم دانشمندان از پاسخ مولکولی گیاهان به این گونه تنشها، از قبیل راه اندازي شبکه هاي مولکولی درگیر در دریافت و انتشار پیام تنش، بیان ژنهاي مرتبط با تنش و همچنین ژنهاي متابولیت، بستگی دارد. مهندسی اغلب ژنهاي درگیر در این مسیر ها از طریق محافظت عمل و ساختمان هاي سلولی موجب بهبود تحمل به تنش هاي غیر زیستی میگردد. این مقاله به پیشرفت ها و مشکلات استفاده از مهندسی ژنتیک گیاهی براي اصلاح تحمل گیاهان به شوري می پردازد.

مقدمه

تنشهاي غیر زیستی با کاهش بیش از پنجاه درصدي عملکرد گیاهان زراعی، مهمترین عامل کاهش عملکرد جهانی گیاهان زراعی هستند. تنشهاي غیر زیستی اثرات مخربی در رشد و تولید گیاهان داشته و اثرات مورفولوژیکی و فیزیولوژیکی و بیوشیمیایی متعددي بر روي آنها می گذارند ( وانق و همکاران، .(۲۰۰۱ خشکی، دماهاي بالا و پایین، شوري خاك و تنشهاي اکسیداتیو مهمترین تنشهاي غیر زیستی هستند که با برهم زدن روابط آبی گیاه در سطح سلولی و گیاه کامل اثرات جبران ناپذیري بر روي گیاه می گذارند ( بک و همکاران، .(۲۰۰۷ طبق گزارش فائو۲۲ ۱ درصد خاكهاي زراعی دنیا (فائو، (۲۰۰۵ و ۴۰ درصد مزارع تحت آبیاري جهان (گالوانی۲،(۲۰۰۷ از مشکل شوري رنج میبرند. این در حالی است که تخمین زده میشود سالانه ده میلیون هکتار به وسعت این اراضی به خاطر شوري حاصل از آبیاري افزوده میگردد (گالوانی، .(۲۰۰۷ با برهم خوردن آب و هواي جهانی و کاهش بارندگی هاي سالیانه نواحی متاثر از خشک سالی در جهان در حال افزایش است ( بورکه و همکاران، .(۲۰۰۶ سرما توزیع جغرافیایی و فصل رشد اکثر گیاهان را محدود کرده و بر کیفیت و کمیت گیاهان زراعی اثرات نا مطلوبی دارد ( توماشو و همکاران،.(۱۹۹۹ سرما و یخبندان

FAO .١ Galvani .٢

هاي نابهنگام فصل زراعی از عواقب تغییرات اقلیمی است که سالانه میلیارد ها دلار خسارت را متوجه محصولات زراعی بویژه باغی می کند.

اغلب این تنشها مسیرهاي پیام رسانی و پاسخهاي سلولی مشابهی را فعال میکنند. از جمله این پاسخهامیتوان به تولید پروتئینهاي تنش، افزایش بیان آنتیاکسیدانها و تجمع ترکیبات سازگار اشاره کرد. پیچیدگی پاسخ گیاهان به تنشهاي غیرزیستی، که ژنها و مکانیسمهاي بیوشیمیاییـ مولکولی بیشماري را در برمیگیرد، در شکل ۱ به طور شماتیک نشان داده شده است ( اقتباس از وینکور و التمن، .(۲۰۰۵

هدف اصلی فناوري زیستی در سازگار نمودن گیاهان به تنشهاي غیر زنده، مطالعه و درك صحیح از مکانیسمهاي مقاومت در گیاهان و بکارگیري این اطلاعات در تغییر ژنتیکی گیاهان زراعی به منظور افزایش تحمل گیاهان به تنشها میباشد (بورسانی و همکاران، .(۲۰۰۳ درك درست این مسیرها و اجزاي کنترلکننده آنها، محققان را در مهندسی ژنتیک گیاهان براي ایجاد مقاومت به این تنشها کمک خواهد کرد. بر همین اساس اغلب تحقیقات انجام شده در زمینه مهندسی ژنتیک گیاهان براي مقاومت به تنشهاي غیرزیستی، بر پایه دستورزي و انتقال ژنهاي این مسیرها بوده است. خلاصه این مسیرها در شکل ۱ خلاصه شده است. این ژنها با توجه به نقشی که ایفا می کنند به سه گروه عمده تقسیم میشوند:

الف) ژنهایی مسیر پیامرسانی و کنترل نسخهبرداري پاسخ به تنشها ب) ژنهایی درگیر در محافظت از غشاءها و آنزیمها ج) ژنهایی در گیر درجذب آب و یونها و انتقال آنها

در این مقاله به برخی از گزارشها و تلاشهاي انجام شده براي افزایش تحمل گیاهان به تنشهاي غیرزیستی براساس مسیرهاي دستورزي شده میپردازیم.

(۱راهبردهاي مبتنی بر فاکتورهاي نسخهبرداري و عناصر درگیر در بیان ژن

تنشهاي غیر زیستی به خاطر طبیعت چند ژنی بودنشان همواره یکی از موضوعات بحث بر انگیز در زمینه مهندسی ژنتیک گیاهی می باشد. جهت توسعه گیاهان تراریخته متحمل به تنش هاي غیر زیستی، درك اساسی شبکه هاي فیزیولوژیکی، بیوشیمیایی و همچنین تنظیم بیان ژن ضروري است. در یک مسیر انتقال پیام که از یک دریافت پیام شروع می گردد و به بیان ژنهاي پاسخ دهنده به تنش خاتمه می یابد، فاکتورهاي نسخه برداري یک نقش اساسی را به عهده دارند. لذا ژنهاي کد کننده این عوامل کاندید قدرتمندي براي مهندسی مسیر هاي متابولیکی پیچیده در گیاهان می باشند. ژنوم گیاهی داراي تعداد زیادي فاکتورهاي نسخهبرداري۱ است. اکثر این

۱ Transcription factors

فاکتورهاي نسخهبرداري متعلق به خانوادههاي چند ژنی بزرگی از قبیل MYB، WRKY، AP2/EREBP و bZIP میباشند (حسین و همکاران،.(۲۰۱۱ اجزاي منفرد

یک خانواده اغلب به تنشهاي مختلف پاسخهاي متفاوتی میدهند، از طرف دیگر برخی ژنهاي مسئول تنش ممکن است تحت تأثیر فاکتورهاي نسخهبرداري یکسانی باشند. افزایش بیان عاملهاي نسخهبرداري در برخی موارد موجب بهبود تحمل گیاهان به عوامل بیرونی شده است. اولین بار بهبود معنیدار مقاومت به تنش با بیان یک فاکتور نسخهبرداري در گیاهان مهندسی شده آرابیدوپسیس بدست آمد (جاگلو و اتوسان،.(۱۹۹۸ بیان دایمی ارتولوگهاي CBF جداشده از برنج (Os drebl) در گیاهان تراریخته آرابیدوپسیس

منجر به افزایش مقاومت در برابر شوري، سرما و خشکی شده است (دوبوزت و همکاران، .(۲۰۰۳ پلگرنیچکی و همکاران (۲۰۰۴) در مرکز تحقیقات بین المللی سمیت با انتقال فاکتور نسخهبرداري (DREB1) CBF تحت کنترل پیشبر القاپذیر rd26 به گندم، گیاهان تراریختهاي را بازیافت کردند که به خشکی مقاوم بودند(شکل.(۲ این گیاهان در حال انجام آزمایشات تکمیلی براي آزاد سازي تجاري هستند ( .(Cimmyt افزایش بیان یک فاکتور نسخه برداري هسته اي ذرت ZmNF-YB2 در گیاهان تراریخته ذرت موجب افزایش عملکرد ۵۰ درصدي این گیاهان در شرایط تنش خشکی مزرعه گردید( نلسون و همکاران، .(۲۰۰۷ گیاهان تراریخته برنج براي ژن
AtDREB1A/CBF3 تحت شرایط مزرعه باعث افزایش ۴۲ درصدي باروري سنبله ها گیاهان تراریخته در مقایسه با گیاهان غیر تراریخته گردید (زائو و همکاران، .(۲۰۰۹ بیان فاکتور نسخه برداري از خانوادهNAC به نام SNAC در گیاهان تراریخته برنج موجب تحمل آنها به خشکی گردید. تحت شرایط خشکی شدید مزرعه عملکرد دانه گیاهان تراریخته ۲۲ تا ۳۴ درصد بیشتر از گیاهان شاهد بود( هیو و همکاران، .(۲۰۰۶ افزایش بیان فاکتور نسخه برداري OsNAC10 در گیاهان تراریخته برنج عملکرد دانه را در این گیاهان تحت شرایط تنش خشکی در مزرعه افزایش داد.

شکل-٢) بیان ژن DREB1 در گیاھان تراریخته گندم ، گیاھان تراریخته سمت چپ) پس از ١٠ روز تنش آبی به رشد خود ادامه دادند ولی گیاھان غیرتراریخته (سمت راست) در این شرایط از رشد
باز ایستاده و
کاملا
پژمرده شدند(اقتباس از

(۲ راهبردهاي مبتنی بر محافظت از آنزیمها و غشاهاي سلولی

گیاه به محض درك تنش، مجموعههاي ژنی زیادي را فعال میکند که منجر به تجمع پروتئینهاي مرتبط با تنش در سلول میشود. پروتئینهاي شوك گرمایی(Hsps) 1 و پروتئینهاي ۲LEA از عمده پروتئینهاي القاپذیر از تنش هستند که تحت تنشهاي آبی، شوري و دماهاي بالا تجمع مییابند. نقش این پروتئینها در حفاظت از سلول طی تنش به اثبات رسیده است:

(۲-۱ چپرونها: چپرونها گروه بزرگی از پروتئینها هستند که به عنوان ماشینهاي پیچیده و ماهر در تاخوردگی صحیح۳، نقل و انتقال و تجزیه پروتئینها و آنزیمها نقش ایفا میکنند. حفظ و نگهداري پروتئینها در کونفورماسیون فعالشان و ممانعت از جمع شدن پروتئینهاي غیرطبیعی اهمیت ویژهاي در حفظ سلول تحت شرایط تنش دارند. لذا یکی از پاسخهاي موثر گیاهان به تنشها،

۱- Heat- Shock Proteins 2- Late Embryogenesis Abundant

۳-Folding

افزایش بیان پروتئینهایی از نوع چپرون میباشد. اکثر پروتئینهاي مسئول تنش۱ بهویژه پروتئینهاي Hsp، به عنوان چپرون عمل میکنند. از بین خانواده چپرونهاي حفظ شده در سلولها، پروتئینهاي شوك حرارتی کوچک (sHsps) فراوانترین پروتئینهاي موجود در گیاهان میباشند. sHspsها پروتئینهاي شوك حرارتی کوچکی هستند که اندازه آنها از۱۲ تا ۴۰ کیلو دالتون متفاوت است. مطالعات مختلف نشان داده کهsHspsهاي گیاهی تحت تنشهاي آبی، شوري، اکسیداتیو و دماهاي پایین نیز بیان میشوند و در تحمل گیاهان به تنشها نقش مهمی ایفا میکنند (وانق و همکاران، .(۲۰۰۳ افزایش بیان ژن پروتئینی شوك گرمایی آرابیدوپسیس (Athsp17.6A) در آرابیدوپسیس تحمل به تنشهاي اسمزي را در حد بالایی افزایش داد( سان و همکاران،.(۲۰۰۱ افزایش بیان پروتیین هاي شوك حرارتی sHSP و HSP70 به ترتیب در گیاهان تراریخته برنج (ساتو و یوکویا، (۲۰۰۸ و سویا ( والنته و همکاران،(۲۰۰۹ موجب افزایش تحمل گیاهان تراریخته به تنش خشکی شده است.