گیاهان و مهندسی ژنتیک

گیاهان و مهندسی ژنتیک

مهندسی ژنتیک ، شامل تکنیکهایی مانند جدا سازی ، خالص سازی ، وارد کردن و تظاهر یک ژن خاص در میزبان برای بروز صفت خاص یا تولید محصول مورد نظر است. گیاهانی که تحت تاثیر مهندسی ژنتیک قرار گرفته‌اند و ژنهای اضافی وارد ژنوم آنها شده، ترانس ژن نام دارند.

اطلاعات اولیه 

گیاهان نه تنها اهمیت بسزایی در کشاورزی دارند، بلکه بعضی از گیاهان زینتی و دارویی ارزش اقتصادی بالایی دارند. امروزه از کدئین ، کیتین و دیگوکسین گیاهانی برای ضد درد ، ضد مالاریا و ضد التهاب قلب استفاده می‌شود. با توجه به گسترش علم تکثیر مریستم در جوانه ، نوک ریشه ، گرهک در زمینه تولید پروتئینهای جانوری مانند زنجیره سبک ایمونوگلوبین‌ها ، انسولین ، آلبومین سرم انسانی و ... گامهایی برداشته شده است.

برای جدا کردن ژنها و انتقال آنها به گیاهان وجود یک بانک ژن ضروری است. بدین منظور امروزه بسیاری از ژنهای گونه‌های مطلوب کشاورزی در بانکهای ژن به صورت کلون شده ، نگهداری می‌شود و سپس در مواقع مورد نیاز ژنها به داخل گیاهان تزریق شده و گیاهان ترانس ژن تولید می‌شود. تاکنون بیش از هزاران گونه گیاهی ترانس ژن تولید شده است. در کشورهای اروپایی استفاده از گیاهانی ترانس ژن به دلیل مخالفت نسلهای جدید و تعداد بالای طرفداران محیط زیست فوق‌العاده محدود است.

 تاریخچه

استفاده از گیاهان ترانس ژن از سال 1984 گسترش قابل ملاحظه‌ای یافته است. در این سال گروه تحقیقاتی در دانشگاه بلژیک زیر نظر پروفسور مونتاگو و در آلمان زیر نظر پروفسور شل موفق به انتقال ژن به سلولهای گیاهی با استفاده از پلاسمیدهای یک گونه باکتری به نام آگروباکتریوم گردیدند.

 تولید گیاه از طریق کشت سلولی

تولید گیاه از طریق کشت سلولی از نظر مهندسی ژنتیک اهمیت زیادی دارد. وقتی گیاه زخمی شود، تکه‌ای از بافت نرم اطراف آن را فرا می‌گیرد که به آن کالوس می‌گویند. اگر قطعه‌ای از این بافت نرم را در محیط کشت همراه با مواد غذایی و هورمونهای گیاهی قرار دهیم، سلولها تقسیم می‌شوند و یک توده سازمان نیافته‌ای از سلولهای تمایز نیافته به نام کالوس ، ایجاد می‌کنند که به این روش کشت کلونی گفته می‌شود.

سلولی از این کشت را می‌توان انتخاب کرد و به محیط کشت جدید انتقال داد. سلولهای موجود در کالوس قادر به دریافت DNA نمی‌باشند، چون دیواره آنها حاوی سلولز است. ولی اگر با آنزیم سلولاز دیواره را از بین ببریم، پروتوپلاست بدست می‌آید. پروتوپلاست قادر به جذب DNA نوترکیب می‌باشد و در ضمن قادر به رشد در محیط مناسب و تبدیل به گیاه کامل نیز می‌باشد.

 ساختن گیاهان دو رگه با استفاده از ادغام پروتوپلاستی

برای ایجاد تغییرات ژنتیکی مطلوب در گیاهان بطور کلی دو روش غیر از آمیزش جنسی گیاهان وجود دارد. روش اول انتقال مستقیم DNA به درون پروتوپلاست است. این روش ساده‌تر است و برای خود محاسن و معایبی دارد. به عنوان مثال در بعضی گیاهان به ویژه تک لپه‌ایها بکار گیری حاملهای بیان ژن ، نتایج رضایت بخشی ارائه نمی‌دهد.

در روش دوم ، هنگامی که پرتوپلاستهای دو سلول دیپلوئید باهم ترکیب می‌شوند، یک سلول تتراپلوئید بدست می‌آید، در حالی که در بعضی از گیاهان می‌توان از دانه گروه آنها سلول هاپلوئید تولید کرد و با الحاق چنین پروتوپلاستهای هاپلوئیدی امکان تولید گیاه دیپلوئیدی وجود دارد. شاید بدین طریق بتوان گیاهانی را که از نظر ناسازگاری جنسی دو رگه نمی‌شوند، از طریق الحاق پروتوپلاستی گیاه دو رگه بارور ایجاد کرد.

 نقش آگروباکتر و پلاسمید Ti در ایجاد تومور تاجی

از میان گروهی از باکتریهای خاک که به عنوان آگروباکتریوم شناخته شده‌اند، چندین گونه وجود دارد که می‌توانند گیاهان را عفونی کنند و سبب ایجاد تاول تاجی در گیاهان شوند. در این حالت یک توده یا کالوس از بافت توموری که در یک حالت غیر تمایزی در محل عفونت رشد می‌کند، ظاهر می‌شود.

هنگامی که سلولهای تاول تاجی درون محیط کشت قرار گیرند، آنها جهت تشکیل یک کشت کالوسی حتی عاری از هورمونهای گیاهی ، رشد می‌کنند. هنگامی که سلولهای تاول تاجی بوسیله آگروباکترویوم به صورت تومور در آمده باشند، حتی اگر تمام آگروباکترویوم را توسط مواد ضد میکروب از سطح گیاه حذف کنیم، سلولهای گیاهی به صورت تومور باقی می‌مانند. القاء تومور تاجی در گیاه توسط پلاسمید باکتری آگروباکتریوم صورت می‌گیرد که به داخل گیاه منتقل می‌گردد.

 پلاسمید Ti در آگروباکتریوم

 پلاسمید Ti مولکولهای حلقوی هستند که دارای بخشهای مختلفی می‌باشند. قسمتی از آن به نام T-DNA وارد گیاه می‌شود، وظیفه T-DNA در داخل گیاه تولید هورمونهای اکسین و سیتوکینین است که باعث رشد تومور مانند قسمت زخم خورده گیاه می‌شوند. همچنین T-DNA یک اسید آمینه غیر ضروری برای گیاه به نام اوپین می‌سازد که این ماده به عنوان منبع ازت ، مورد استفاده خود آگروباکتریوم قرار می‌گیرد.

موتانهای پلاسمید Ti

با توجه به اینکه کروموزم باکتری نیز در ارتباط با برقراری رابطه میان آگروباکتریوم و گیاه نقش دارد، ولی از طریق هیبریداسیون و موتانهای فاقد پلاسمید Ti نشان داده شده است که قدرت ایجاد تومور تاجی وابسته به پلاسمید Ti است. آگروباکتریومی که فاقد پلاسمید Ti باشد، بیماری تاول تاجی ایجاد نمی‌کند. اگر توسط ترانسپوزون‌ها در توالی T-DNA تغییر بوجود آید، یا اوپینها سنتز نمی‌شوند، اما گال بوجود می‌آید و یا تومور القا نمی‌شود، این مطلب نمایانگر آن است که توالی T-DNA در ایجاد تومور موثر است.

انتقال DNA به گیاه از طریق شوک الکتریکی

با توجه به اینکه آگروباکتریوم فقط سلولهای دو لپه‌ای را آلوده می‌کند، در سلولهایی مانند گندم ، برنج و ذرت از طریق شوک الکتریکی برای انتقال DNA به درون سلول استفاده می‌شود. برای استفاده از الکتروپوریشن به سلول گیاهی احتیاج به پروتوپلاست است، ولی تولید گیاه کامل از پروتوپلاست تک لپه‌ای مشکل است و در واقع اگر DNA مستقیما به سلول تزریق شود بهتر است، علاوه بر این از طریق تزریق DNA توسط تفنگ ذره‌ای می‌توان DNA را وارد سلولهای حاوی دیواره نمود.

کاربردهای انتقال ژن به گیاهان

از مهمترین اهداف انتقال ژن به گیاهان می‌توان موارد زیر را ذکر کرد:

   - ایجاد مقاومت در برابر حشرات

   - تولید بازدارنده پروتئینازها در برابر حشرات

   - تولید گونه‌های مقاوم به قارچها  

   - مقابله با ویروسها

   - تولید گیاهان مقاوم به علف کشها

   - تولید گیاهان مقاوم به استرس

چشم انداز

تاکنون آزمایشات متعددی برای ایجاد گیاهان ترانس ژنتیک از طریق پلاسمید Ti باکتری آگروباکتریوم و یا از طریق تفنگ ذره‌ای بکار برده‌اند و دانشمندان در فکر تولید انترفرون در گیاهان و در کشت سلول گیاهی هستند و از طرف دیگر تولید گیاهان برتر و با محصولات بیشتر یکی دیگر از اهداف مهندسی ژنتیک گیاهی می‌باشد.

اصلاح نباتات

اصلاح نباتات با منشا ژنتیک ، به تغییرات جهت‌دار و مفید در بنیان ژنومی گیاهی اطلاق می‌شود و منظور از مفید بودن صفات جدید ، سازش بیشتر با محیط و رفع نیازمندیها می‌باشد.

مقدمه

اصلاح نبات و دام یکی از صور تکامل است. و قوانین حاکم بر تکامل مصنوعی شبیه قوانین حاکم بر تکامل طبیعی است اما با این تفاوت که سیر تکاملی مصنوعی سریعتر بوده، چون بشر روند تکامل را کنترل می‌کند. در حالی که تکامل طبیعی تصادفا صورت می‌گیرد. بر این اساس ، در دوره‌های مختلف توجه اصلاح کنندگان به گیاهان صنعتی جلب شده است. بنابراین گیاهانی مورد مطالعه اصلاح کنندگان قرار می‌گیرند که دارای ترکیبات شیمیایی مخصوص باشند. مثلا دارای ترکیبات دارویی خاصی باشند. بنابراین ، اصلاح کنندگان ، مثل گذشته دنبال اهلی کردن یک گیاه وحشی نیستند بلکه تکیه آنها بر روی ژنهای مفید موجود در گیاهان وحشی می‌باشد که ایجاد مقاومت بالایی به امراض می‌کنند.

تاریخچه و سیر تحولی و رشد

دوره اول: در این دوره انسان بدون شناخت نظام تولید مثل گیاهان ، برای اولین بار به کشت و تولید مصنوعی گیاهان تحت شرایط کنترل شده اقدام نمود. در این دوره انسان ، گیاهان برتر و مطلوب را ذخیره و نگهداری می‌کرد و به این ترتیب عمل انتخاب ناخود آگاه صورت گرفت. با مرور زمان اهلی کردن حیونات نیز آغاز شد بنابراین کشت گیاهان همراه با اهلی نمودن دامها انجام شد.

دوره دوم: در این دوره انسان به نظام تولید مثل گیاهان پی برد و به آمیزش گونه‌های مختلف گیاهان پرداخت. اما هنوز اصول علمی ژنتیک کشف نشده بود و تلاقی گونه‌ها بطور تصادفی و به عنوان یک نوع هنر صورت می‌گرفت.

دوره سوم: این دوره با آزمایشات دقیق مندل آغاز شد، بعد از کشف قوانین مندل (1900)، اصول علمی اصلاح نباتات بر اساس قوانین ژنتیک توجیه شد. در این مرحله ، ژنهایی مورد توجه قرار گرفتند که اثرات زیادی در بیان صفات داشتند مثل ژن مربوط به رنگ.

اصول ژنتیکی تکامل گیاهان

از نظر علم ژنتیک ، اصلاح نباتات و تکامل نقاط مشترک زیادی دارند. در هر دو حالت نیاز به وجود تنوع گیاهی و انجام انتخاب روی فرمهای مفید می‌باشد. بنابراین تاثیر تکامل بر روی ژنتیک گیاهان از چهار طریق صورت می‌گیرد.

تنوع مندلی: در حالت طبیعی اغلب موتاسیونهای ژنی ایجاد گیاهان ضعیف می‌کند که در اثر تنازع بقا از بین می‌روند. اما در برخی موارد موجب ایجاد سازش بیشتر با محیط می‌شوند و از این نظر مورد توجه اصلاح کنندگان قرار می‌گیرند و در اثر متراکم شدن چندین موتاسیون ژنی مفید ، یک گیاه اهلی ایجاد می‌شود. که این گیاه اهلی در اثر انتخاب طبیعی یا مصنوعی تکثیر پیدا کرده و جای گونه‌های ضعیف قبلی را می‌گیرد.

هیبریداسیون بین گونه‌ای: وقتی گونه‌ها از نظر تاکسونومی (رده بندی) بهم نزدیک باشند، ممکن است تلاقی آنها ایجاد فرمهای باارزشی از نظر کشاورزی را بنمایند. و اگر این تلاقی بین گونه‌های دور از هم اتفاق افتد به این اینتروگرسیون گویند که در اکثر مواقع ، گونه تازه ایجاد شده عقیم است یا در نسلهای بعدی گیاهانی بدست می‌آیند که از هر دو گونه پدر و مادری ضعیف‌تر می‌باشند به خاطر همین تکثیر اینها با روشهای غیر جنسی صورت می‌گیرد.

اتو پلوئیدی: افزایش تعداد دسته‌های کروموزومی را در یک گونه ، اتو پلوئیدی گویند. این گیاهان دارای سه یا چندین سری کروموزومند و وقتی با گیاهان دیپلوئید مقایسه می‌شوند دارای سلولهای بزرگتر با هسته‌های درشت می‌باشند. اما اینها در صورتی که تریپلوئید باشند دارای درجه تلقیح کمتری هستند و اصولا بذر تولید نمی‌کنند که در این صورت تکثیر اینها به واسطه پارتنوکارپی (بکرزایی) صورت می‌گیرد.

آلو پلوئیدی: زمانی که دو گونه با ژنومهای مختلف باهم تلاقی پیدا کنند، و بعد تعداد کروموزومها فرزندان آنها ، دو برابر شود الو پلوئیدی انجام شده است. معمولا هیبرید بین دو گونه با ژنومهای مختلف عقیم است، اما وقتی تعداد کروموزومها دو برابر شود، گیاه زایا می‌شود.

موارد موثر بر اصلاح نباتات

انتخاب

از تلاقی گونه‌های مختلف با ژنومهای مختلف ، نتاج (فرزندان) مختلفی ایجاد می‌شود. نتاجی که دارای سازش بیشتری با محیط زیست هستند توسط انتخاب طبیعی نگهداری و سایر نتاج به مرور زمان از بین می‌روند. به انتخابی که به واسطه انسان ، صورت می‌گیرد انتخاب مصنوعی گفته می‌شود. در برخی موارد انتخاب مصنوعی و طبیعی هم جهت باهم صورت می‌گیرد. ولی گاها دارای جهتهای مختلفی می‌باشند. زمان تاثیرگذاری به انتخاب مصنوعی کمتر است چرا که در کنترل انسان می‌باشد. مهمترین وظیفه اصلاح کننده در این مرحله عبارتست از اینکه از بین گیاهان مختلف حاصله تشخیص دهد که کدام گیاه مفیدتر بوده و باید نگهداری شود.

رانده شدن ژنتیکی

منظور از رانده شدن ژنتیکی ، کم و زیاد شدن تصادفی وفور نسبی ژنها در گیاهان می‌باشد که تغییر وفور نسبی ژنها بستگی به طرز انتخاب زارعین و حجم جامعه گیاهی دارد. اگر جامعه گیاهی کوچک باشد، و فقط چند بوته از یک سال برای سال بعد ، بذرگیری شود در این حالت بعضی از ژنها از نسلی به نسل بعد انتقال نمی‌یابد و به موازات این ، جامعه گیاهی دیگری ، فرصت گسترش ژنهای خود را می‌یابد. در رانده شدن ژنتیکی ، انتخاب طبیعی یا مصنوعی دخالتی ندارد و فقط تصادف و شانس است که وفور نسبی ژنها را تغییر می‌دهد.

کاربردهای اصلاح نباتات

افزایش عملکرد محصولات: انقلاب سبز ، به مسئولیت آقای نورمن بورگاف ، در اواسط قرن بیستم ، این نتیجه را داد که اگر کشت ، داشت و برداشت ، با تکنیکهای مدرن کشاورزی همراه باشد، بازدهی واریته‌های اصلاح شده به حداکثر می‌رسد.

مقاومت به امراض و آفات گیاهی: متاسفانه همراه با وسعت دادن به نژادهای جدید نباتات ، امراض جدید نیز ایجاد می‌گردد و بنابراین مقاومت دائمی امکان پذیر نمی‌باشد و بایستی مداوما اصلاح برای مقاومت در برابر امراض و آفات گیاهی صورت پذیرد.

وسعت دامنه کشت: برخی از واریته‌های گیاهی را در مناطق با شرایط اقلیمی خاص می‌توان کاشت با تغییر برخی از صفات گیاهان ، می توان آنها را در محیط متفاوت هم کشت داد.

تغییر کیفیت محصولات گیاهی: با گذشت زمان و صنعتی شدن جوامع انسانی ، توقعات افراد بشر تغییر می‌کند بنابراین باید استاندارد محصولات کشاورزی را متناسب با ذائقه افراد تغییر داد. امروزه اصلاح کنندگان توجه زیادی به کیفیت محصول می‌نمایند چون نه تنها باید عملکرد واریته جدید نسبت به واریته‌های قدیمی زیادتر باشد بلکه کیفیت محصول از نظر چیدن ، حمل و نقل و استفاده در صنایع غذایی هم متناسب باشد.

ماشینی نمودن برداشت نباتات: در برخی از نباتات مثل ذرت خوشه‌ای و گندم ، رشد بیش از حد ساقه و خوابیدگی بوته‌ها ، افت قابل توجهی را در برداشت ماشینی ایجاد کرده است. برای رفع این مشکل اصلاح کنندگان ، به تولید واریته‌های پا کوتاه پرداختند و واریته‌های مناسب برداشت ماشینی را تولید کردند.

واریته‌های هیبرید: یکی از مهمترین عوامل افزایش محصول استفاده از پدیده هتروزیس می‌باشد که در واریته‌های هیبرید ظاهر می‌گردد. چرا که در این روش ، سعی در تجمع دو صفت مختلف از نظر ژنتیکی و ایجاد یک صفت مناسب می‌باشد و این بدست نمی‌آید دیگر با انجام آزمایشات مکرر هیبریداسیون.