اساس ژنتیكی اصلاح نباتات با مهندسي شيمي

[nafasam 305]

علم كشاورزی بر مبنای اهلی كردن گیاهان وحشی و ایجاد محصولات منطبق بر نیاز ما عمل می‌كند. بشر در حدود ده هزار سال پیش زمانی كه به كاشت و داشت واریته‌های خاصی از گیاهان اقدام نمود، كشاورزی را برای تولید غذا ابداع كرد و لذا گیاهان بوسیله انتخاب و انتقال صفات به نسلهای بعد بهبود یافت. بعنوان مثال اهلی كردن ذرت بوسیله كشاورزان گذشته صورت گرفت. عمده صفات تغییر یافته مرتبط با اهلی كردن گیاهان بود بعنوان مثال صفات (افزایش در تولید بذر، كاشت آسان، اندازه بزرگتر و میزان محصول برداشت شده و تغییر در شكل ظاهری و كاهش و از بین بردن سوبستراهای و مواد سمی و غیره ) بوسیله تمدن‌های كشاورزی گذشته مانند چین و مصر و مادیان صورت پذیرفت بعلاوه، این محصولات كم‌كم با شرایط آب و هوایی خاص منطقه مورد كاشت تطابق و سازگاری یافتند و بنابراین از لحاظ ژنتیكی، صفاتی همچون كیفیت، مقاومت به استرس و مقاومت به بیماری در عملكرد مناسب را به دنبال خود همراه داشت. گیاهان اهلی شده در كشاورزی بر اساس نتایج حاصل از تغییر ژنتیكی گیاهان وحشی در هزاران سال پیش بوجود آمده‌اند. مطالعات علمی در مورد ژنتیك در حدود سال ۱۹۰۰ میلادی با فعالیتهای گرگور مندل آغاز شد. ما حالا می‌دانیم كه ژنها واحدهای وراثتی هستند كه از جنس رشته dna كه در داخل كروموزم موجود در هسته همه سلولهای موجودات زنده است استقرار یافته‌اند، البته بعضی از ویروسها حاوی ژنومی با تركیب dna هستند. همه واحدهای ژنتیكی موجود در كروموزم شامل ۴ تركیب در مولكول dna خود می‌باشند. آدنین (a) تیمین (t) سیتوزین (c) گوانین، نزدیك به هزار كلمه را می‌توان با ۲۶ حرف از الفبای انگلیسی ایجاد كرد، هزاران ژن متفاوت از هم و خاص (تقریباً ۹ هزار تا در مخمرهای تك سلولی و ۲۰۰۰۰ در گیاهان آغازیان و حدود ۳۵۰۰۰ ژن در انسان وجود دارد) كه می‌تواند تنها از ۴ باز آلی موجود در رشته dna بوجود آید و هر ژن تقریباً حدود ۵۰۰ تا ۲۰۰۰ باز می‌باشد در سیستم‌های بیولوژیك داخل سلول، این واحدهای نوكلئوتیدی قادر است به پروتئین تبدیل شود كه در توالی خاصی از dna یك پروتئین خاصی مربوط با خود را كد می‌كند. فعالیت این پروتئینها و وظایف و عملكرد آنها در موجودات مشخص شده است. موجوداتی كه تولید مثل جنسی دارند دو نسخه از كروموزمها را شامل می شود و در طی فرآیند تولید مثل والدین بطور تصادفی یكی از كروموزمها را از میان دو جفت به فرزندان و نتاج خود منتقل می‌كند بنابراین نتاج متفاوت از همان والدین یكسان از لحاظ ژنتیكی بوجود می‌آید. با انتخاب افراد برتر از یك نسل می‌تواند آنها را بعنوان والدین نسل بعد انتخاب و مورد آمیزش قرار داد. و در نتیجه از این طریق صفات مورد نظر و دلخواه را در نسل بعد افزایش داد و منجر به كاهش صفات نا مطلوب گشت، درك اصل ژنتیك و كاربردهای آن در متد‌های اصلاح نباتات موجب بهبود مناسب و معقول نباتات گردید. واریته‌های محصولات مدرن از لحاظ ژنتیك یكنواختی در عملكرد را نسبت به واریته‌های گذشته دارند. اصلاحگران جستجوی دائمی را برای شناسایی تركیبهای ژنتیكی جدید را از گیاهان مورد انتخاب بر اساس صفات مطلوب را انجام می دهند به عنوان مثال صفاتی مانند كیفیت محصول، عملكرد منطقه‌ای، مقاومت به آفات و بیماریها از صفاتی هستند كه همواره مورد توجه قرار می‌گیرد. اصلاحگران معمولاً به تلاقی مابین دو ژنوتیپ برای ایجاد تركیبات جدید ژنتیك صفات كه نهایتاً در فنوتیپ ظهور می‌كند، مبادرت می‌ورزند منبع اولیه تنوع ژنتیكی در ژرم پلاسم داخل در گونه گیاهی وجود دارد و و بطور عمده مرتبط با گونه‌های وحشی است كه قادر هستند در داخل خود گشنی كنند. برای بسیاری از گونه‌های گیاهی اصلاحگران عمدتاً ژنهایی را كه در گونه‌های وحشی قبلاً وجود دارد و باعث افزایش تنوع ژنتیكی می‌شوند را انتخاب می‌كند. هیبریداسیون و دورگ‌گیری بین گیاهان و گونه‌های وحشی امكان دستیابی به ژنهای باارزش را و انتقال آنها را برای بهبود عملكرد ژنتیك محصولات زراعی فراهم می‌كند. به عنوان مثال همه محصولات تجارتی حاوی یك مقاومت تركیبی به قارچها و باكتریها و بیماریهای ویروسی هستند كه عمدتاً از گونه‌های وحشی نشات گرفته است (اینتروگرسیون= انتقال ژنهای مقاومت از یك گونه به گونه دیگر از طریق تلاقی با حفظ ساختاز ژنتیكی گیاه گیرنده) تنوع ژنتیكی می‌تواند همچنین از طریق جهش القائی افزایش یابد یا تغییر در ساختار dna هرگیاه باعث افزایش میزان تنوع خواهد شد. در سال ۱۹۵۰ بالغ بر ۲۰۰۰ واریته گیاه از طریق جهشهای تصادفی القائی باعث تغییر صفات ژنتیكی گردید. و سپس انتخاب از میان این نتاج باعث بهبود عملكرد آنها شد. روشهای ویژه هیبریداسیون همچنین میزان یكنواخت در تولید عملكرد را افزایش داده دانشمندان در سال ۱۹۲۰ به این نكته پی بردند كه بعضی از محصولات مانند ذرت بطور مداوم به علت خود گردافشان داخل خود تلاقی می‌یابند و ایجاد همخون می‌كند و در نتیجه میزان هتروزیسی و برتری بسرعت طی چندین نسل متوالی رو به كاهش خواهد بود بهرحال اگر دو گیاه اینبرد ویژه را با یكدیگر تلاقی دهیم در نتاج حاصل كه با نماد f۱ نشان داده می‌شود غالباً در نتیجه پدیده هتروزیسی و هیبریدی ویگور میزان عملكرد نتاج از میانگین عملكرد والدین بیشتر خواهد بود. این پدیده بعنوان هتروزیسی یا هیبریدی ویگور است كه اساس ایجاد بسیاری از بذرهای هیبرید برای ذرت، سورگوم و آفتابگردان و بسیاری از سبزیجات می‌باشد. تولید دانه‌های هیبرید نیازمند دستكاری ژنتیكی برای تولید والدین اینبرید می‌باشد. یك تلاقی خاص بین دو والد و ایجاد نتاج f۱ برای زارعان باید تعریف شود در نتیجه گیاهان حاصل از این بذرهای هیبرید، در فنوتیپ فرد، هتروزیس مغلوب را نشان می دهند اما باید بخاطر داشت كه در نسل f۲ متعاقب از f۱ این میزان سود مندی در نتیجه ترتیب و در كنار هم قرار گرفتن تصادفی اللهای(گامتهای) حاصل از بین خواهد رفت. و بنابراین زارعان برای رفع این مشكل باید به خرید بذرهای جدید f۱ بمنظور دستیابی به همان عملكرد بالا اقدام و مبادرت ورزند. صرفنظر از اینكه تنوع ژنتیكی بر اساس روشهایی، مدیریت می‌شود نتاج حاصل باید مداوماً برای شناسایی گیاهان والد آزمون می‌شود. فلذا اصلاحگران نباتات باید جمعیت بزرگی از گیاهان را با استفاده از روشهای مختلف (انتخاب انفرادی، لاین بردینك، انتخاب فاملی) آزمون كنند به طور كلی، تنها در صد كمی از گیاهان قادر هستند كه صفات مطلوب را در خود نشان دهند و بنابراین از بین جمعیت بزرگ تعداد كمی به عنوان والدین نسل بعد انتخاب می‌شود.

 

با تركیب روشهای مناسب و عملی زراعی و بهبود ژنتیك واریته‌های زراعی بطور تصاعدی با افزایش عملكرد محصول و كیفیت آن مواجه خواهیم شد. بطور كلی تخمین زده می‌شود كه تقریباً نصف افزایش در عملكرد محصول در ۵۰ سال اخیر در نتیجه بهبود ژنتیكی گیاهان حاصل شده است و نصف دیگر آن مربوط به بهبود مدیریت و تكنیكهای مرتبط با آن (كود، آبیاری، كنترل بیماریها و آفات می‌باشد). هر دو مراكز تحقیقاتی دولتی و شركتهای خصوصی موجب بهبود عملكرد محصولات زراعی می‌شوند. سازمانهای خصوصی عمدتاً بدنبال خصوصیاتی هستند كه بهبود آنها میزان فروش محصولات مورد عرضه را تحت تاثیر قرار می‌دهند. در سال ۱۹۳۰، سازمان ثبت اختراع امریكا به اصلاحگران اجازه داد كه از مقررات تدوین شده برای واریته‌های گیاهی و بسیاری از نهالهای درختان و سبزیجات استفاده كنند و در سال ۱۹۷۰ سازمان حمایت از واریته‌‌های گیاهی، مقررات خاصی را برای توسعه واریته‌های ژنتیكی خاص در بهبود عملكرد تصویب كرد، بهرحال واریته‌های هیبرید f۱ نمی‌توانست شامل این قوانین شود چرا كه در نتیجه و نسل‌گیری از آنها نمی‌تواند بر خلاف محصولات تجارتی و واریته‌های خودگشنی مانند سویا و گندم و پنبه به همان نتایج مورد انتظار رسید.