مهندسی کشاورزی - بيوتکنولوژي و ژنتیک در کشاورزی..
خبرهای ویژه... مهندسی کشاورزی...، مهندسی تولیدات گیاهی... و...... مهندسی فیزیولوژی و اصلاح گیاهان...
تاریخ : یکشنبه یکم تیر 1393
نویسنده : مهدی محرابی (خاکی)

بيوتکنولوژي و ژنتیک در کشاورزی چیست؟

هزاران سال است،انسان دریافته است که چگونه گیاهان مفید را به کاربرد . از گندم نان وازشیر ، لبنیات تولید نماید. درتولید ماست ازشیر، یک میکرو ارگانیسم این فرآیند را انجام می دهد. یعنی درواقع می توان از میکرو ارگانیسم های مفید برای تغییرات وتبدیلات مورد نظر درمحصولات کشاورزی اعم از گیاهی وحیوانی استفاده نمود.

بیوتکنولوژی ، روش جدیدی برای پرداختن به تکنیک کشت وکار است. با دست یابی به شیوه های کاربردی فن آوری موجودات زنده ، می توان محصول بیشتر ، گیاه مقاوم تر وحتی محصول بهتر تولید نمود.

هزاران سال است،انسان دریافته است که چگونه گیاهان مفید را به کاربرد . از گندم نان وازشیر ، لبنیات تولید نماید. درتولید ماست ازشیر، یک میکرو ارگانیسم این فرآیند را انجام می دهد. یعنی درواقع می توان از میکرو ارگانیسم های مفید برای تغییرات وتبدیلات مورد نظر درمحصولات کشاورزی اعم از گیاهی وحیوانی استفاده نمود. دردوهزار سال قبل از میلاد مسیح ، مصری ها جو را تخمیر کرده یا ازانگور سرکه تولید می کردند. آنان به اصول تخمیر ، پی برده بودند، یا درواقع به نوعی بیوتکنولوژی دست یافته بودند. نتیجه ای که گرفته می شود ، این است که بیوتکنولوژی سابقه ای دیرینه دارد.

درواقع تا آنجا که به کشاورزی ارتباط می یابد ، واژه بیوتکنولوژی ، روش جدیدی برای پرداختن به تکنیک کشت وکار است. یعنی با دست یابی به شیوه های کاربردی فن آوری موجودات زنده ، می توان محصول بیشتر، گیاه مقاوم تروحتی محصول بهتر تولید نمود. این علم امروزه توانسته است برروی ژن موجودات زنده کاربکند وتغییراتی درجهت هدفهای پیش بینی شده درمواد بدهد، یعنی درواقع درنحوه اطلاعات وراثتی سلولهای زنده دخالت کند وموفق به تولید گونه های جدید وبهتری گردد.

      

اما حقیقتاً بیوتکنولوژی یا همان زیست فناوری چیست؟ شما به این سوال چه پاسخی می‌دهید؟

تمام این تصورات و حتی نظر شما می‌تواند پاسخی به این سوال باشد. در حقیقت واژه‌ی بیوتکنولوژی به طور کلی بیانگر روش‌های استفاده از موجودات زنده و تولیدات آنها برای بهتر ساختن شرایط زندگی انسان و محیط زیستش است. اگرچه واژه‌ی بیوتکنولوژی اغلب برای اشاره به تکنولوژی مهندسی ژنتیک استفاده می‌شود اما در واقع در برگیرنده‌ی دامنه‌‌ی وسیع‌تری از روش‌های اصلاح زیستی موجودات براساس  نیازهای انسانی است.

رشد و شکوفایی بیوتکنولوژی ریشه در ماقبل تاریخ دارد. زمانی که انسان‌های اولیه فهمیدند که چگونه می‌توانند گیاهان مورد استفاده شان را کشت کنند ویا زمانی که تلاش کردند تا حیونات را اهلی کنند و یاد گرفتند که چگونه آنها را پرورش دهند، درواقع آنها یاد گرفتند که از بیوتکنولوژی استفاده کنند.

کشف اینکه شیر می‌تواند به پنیر و ماست تبدیل شود یا از تخمیر میوه‌ها سرکه و الکل  تولید می‌‍شود شروع اولین مطالعات بیوتکنولوژی بود.

نانواهایی که فهمیدند که چگونه خمیر صاف و سبک‌تر عمل آورند یا دامدارانی که با تشخیص تفاوت‌های فیزیکی در بین دام‌هایشان و انتخاب جفت مناسب برای آنها به اصلاح نژاد پرداختند ویا کشاورزانی که بین انواع یک گیاه هیبریدگیری کردند تا محصول مطلوب‌تری حاصل کنند اولین بیوتکنولوژیست‌ها بودند.

اما در قرن بیست یکم بیوتکنولوژی به صورت رشته‌ای مستقل در آمد. این استقلال نه تنها سبب قطع ارتباطش با رشته‌های دیگر نشد بلکه با فعالیت‌ها بیشتر با رشته‌های بیشتری ارتباط یافتن و نیز باعث ارتباط رشته‌های دیگر با هم شدند.

فناوری زیستی بین علوم زیستی از قبیل ژنتیک، میکروبیولوژی، ویروس شناسی، بیوشیمی، زیست مولکولی، زیست سلولی و  جنین شناسی با رشته‌های کاربردی نظیر مهندسی شیمی، الکترونیک، نانو فناوری و فناوری اطلاعات پیوند برقرار ساخت و از آنها برای خدمت به کشاورزی، پزشکی، داروسازی، تولیدات غذایی، دامپروری و صنایع مختلف که ملموس‌ترین آن نساجی می‌باشد بهره می‌جوید.

فناوری زیستی با توجه به کاربردی که هدف قرار می‌‌دهد به شاخه‌های مختلف تقسیم می‌شود که به این ترتیب نامگذاری می‌شود:

• بیوتکنولوژی سبز که در آن محققان بر روی کاربردهای کشاورزی متمرکز اند از جمله اهلی سازی گیاهان با تغیر در اندازه‌ی آنها و تولید گیاهان ترارخت با توان رشد در محیط‌های با شرایط خاص یا توان مقابله با آفت‌ها از طریق وارد کردن ژن‌های اضافی به ژنوم آنها.

• بیوتکنولوژی قرمز برای بیوتکنولوژی پزشکی به کار می‌رود. ازجمله اهدافش طراحی ارگانیسم‌هایی است که توان تولید آنتیبیوتیک‌ها یا داروهای دیگر را دارند و یا درمان‌های ژنتیکی از طریق دستورزی‌های ژنتیکی است.

• بیوتکنولوژی سفید یا بیوتکنولوژی صنعتی که به عنوان مثال برای تولید مواد صنعتی از موجودات زنده استفاده می‌کنند و یا از آنزیم‌ها استفاده‌ی صنعتی می‌کنند.

• بیوتکنولوژی آبی که محققان بر روی موجودات آبزی و دریایی کار می‌کنند.

در آینده از کاربردهای زیست فناوری در زمینه‌های مختلف بیشتر صحبت خواهیم کرد.

نتیجه گیری اینکه...

بیوتکنولوژی ، روش جدیدی برای پرداختن به تکنیک کشت وکار است...

با دست یابی به شیوه های کاربردی فن آوری موجودات زنده می توان محصول بیشتر ، گیاه مقاوم تر وحتی محصول بهتر تولید نمود. دردوهزار سال قبل از میلاد مسیح ، مصری ها جو  را تخمیر کرده یا ازانگور سرکه تولید می کردند. آنان به اصول تخمیر پی برده بودند یا درواقع به نوعی بیوتکنولوژی دست یافته بودند. نتیجه ای که گرفته می شود این است که بیوتکنولوژی سابقه ای دیرینه دارد، درواقع تا آنجا که به کشاورزی ارتباط می یابد، واژه بیوتکنولوژی روش جدیدی برای پرداختن به تکنیک کشت وکار است. یعنی با دست یابی به شیوه های کاربردی فن آوری موجودات زنده می توان محصول بیشتر، گیاه مقاوم تروحتی محصول بهتر تولید نمود.این علم امروزه توانسته است برروی ژن موجودات زنده کاربکند وتغییراتی درجهت هدفهای پیش بینی شده درمواد بدهد، یعنی درواقع درنحوه اطلاعات وراثتی سلولهای زنده دخالت کند وموفق به تولید گونه های جدید وبهتری گردد.درحدود بیست سال اخیر دو کار بنیادی واصولی درتکنولوژی کشاورزی صورت گرفته است . یکی تکنیک بهره برداری های مختلف ازسلول گیاهی ودیگری استفاده از بافت گیاهی با شیوه های ترکیب جدید ژنها. به بیان دیگر با شیوه کاربردی جدید می توان ضمن جدا کردن سلول یک گیاه، به تنهائی آن را وادار به تکثر نمود و بعدا" به خاک انتقال داد. زیرا امکان کشت سلولی برای همه گیاهان موجود برروی کره زمین عملی است. یکی از نتایج این شیوه صرفه جوئی ازنظر وقت وفضای کشت وکار است. ازطرفی این روش تکثیر گیاهی نتایج بهتری برای هدف تعیین شده به دست می دهد. درواقع یک سانتی مترمکعب ازبافت یا اندام که چندین میلیون سلول مانند هم دارد ، بالقوه می تواند میلیون ها بوته هم خواص با آن گیاه باشد. درواقع این شیوه کار بذر و قلمه را به نحو بهتری انجام می دهد. ضمنا" می توان به خواص وراثتی گیاه پی برد و برای رشد و نمو آن تا مرحله به ثمرآمدن زمان صرف نکرد. به عبارت دیگر این شیوه روشی است که امکان مطالعه بهتر گیاه را درکمترین زمان و با بیشترین ضریب اطمینان به دست می دهد. حتی می توان با جدانمودن دیواره سلولی یک گیاه، چند سلول را از نظر محتوا به هم آمیخت. دریک آزمایشگاه تحقیقاتی به نام ماکس پلانک درآلمان ضمن آزمایشی معلوم شدکه ازمیان چهل و دو هزار بافت سیب زمینی مورد آزمایش فقط 173 بافت یعنی چهار درصد بافت ها دربرابر بیماری قارج سیب زمینی مقاوم بودند، این بافت تکثیر گردید تا درمرحله گیاه کامل به مزرعه انتقال داده شود. نتیجه ای که حاصل آمد این بود که این گونه جدید واقعا" نسبت به قارچ مقاوم است وبه سمپاشی نیازی ندارد . این شیوه دست یابی به گونه های مقاوم فقط درمدت هشت ماه عملی گردید. درصورتیکه در سالهای 1975 تا 1980 ، این کار ازطریق روشهای اصلاح نباتات حد اقل ده تا پانزده سال زمان می طلبید. این کار برای گیاهان دیگر ازجمله نخل روغنی حداقل سی سال زمان نیازدارد. درحال حاضر درکشورهای صنعتی این شیوه بسیار رواج یافته وتحولات شگرفی به وجود آمده ونتایج کارهای چندین ساله محققین به تولید انبوه رسیده است.کمسیون جهانی طرفداران توسعه دانش بیوتکنولوژی براین عقیده اند که افق دید این عمل بسیار وسیع تر ازگذشته بوده واهداف والائی چون رفع مشکلات سلامتی ، تغذیه ، محیط زیست و نیز مواد اولیه را بسیار سریع تر از شیوه های سنتی گذشته تامین خواهند نمود. معمولا" تولیدات سالم تر، فشار کمتری بر محیط زیست وارد می کند. این مواد نیاز به انرژی کمتری دارند و دست آخر اینکه مواد حاصل ازبیو تکتولوژی مضربه حال طبیعت نیست. ازطرف دیگر میکرو ارگانیسم ها قادرهستند از مواد آلی با قیمانده درشهرها ومزارع وآبهای آلوده درکشاورزی مواد الکلی وپروتئین به دست دهند.

حوزه­هاي مختلف بيوتكنولوژي گياهي نوين

به‌طور كلي بيوتكنولوژي نوين از سه ابزار مهم زير در زمينه كشاورزي بهره مي‌گيرد:

الف) مهندسي ژنتيك و دي-ان-آي نوتركيب

ب) كاربرد نشانگرهاي مولكولي (پروتئين و دي-ان-آ)

ج) كشت سلول‌ها، ‌اندام‌ها و بافت‌هاي گياهي

اين نوشتار سعي دارد مهمترين حوزه‌هاي كاربرد بيوتكنولوژي گياهي را در قالب سه مورد فوق‌الذكر به طور اجمال معرفي كند كه مي‌تواند تحليلي دربارة ضرورت توجه به اين حوزه از تكنولوژي‌هاي نو ارائه نمايد.
با توجه به اهميت فناوري‌زيستي ابعاد اقتصادي، اجتماعي و حتي سياسي، شايسته است كه مسئولين علمي و سياسي كشور بيش از پيش به حمايت و سرمايه‌گذاري در اين زمينه توجه نمايند. همچنين لازم است، برنامه‌ريزان و تصميم‌سازان استراتژي ملي توسعه كشور نسبت به اولويت‌دادن به آموزش‌ها و پژوهش‏هاي نوين بنيادي و كاربردي در عرصة بيوتكنولوژي و مهندسي ژنتيك و ارايه تمهيدات و راهكارهاي بهره‌برداري تجاري‌ از فراورده‌هاي آن، اقدام لازم را به عمل آورند.

الف) مهندسي ژنتيك و دي‌ان‌آي نوتركيب 

مهندسي ژنتيك، پيچيده‌ترين شاخه بيوتكنولوژي است كه روش‌‌هاي مبتني بر ژنتيك سلولي و مولكولي، نشانگرهاي مولكولي، كشت سلول و بافت، ميكروبيولوژي و بيوشيمي را در بر مي‌گيرد. به طوركلي مهندسي ژنتيك شامل استفاده از روش‌هاي انتخاب ژن موردنظر، جداسازي، خالص‌سازي، تكثير و انتقال ژن‌ها و ارزيابي بروز آن‌ها در موجود زنده مي‌‌باشد. اين فناوري امكاناتي را فراهم مي‌آورد كه با روش‌هاي سنتي (كلاسيك) امكان‌پذير نيست.
مهندسي ژنتيك با رفع مشكل محدوديت تلاقي‌هاي جنسي توانسته است انتقال مستقيم و سريع ژن‌هاي جديد يا تغييريافته از منابع مختلف شامل گونه‌هاي گياهي، حيوانات،‌ باكتري‌ها، ويروس‌ها و قارچ‌ها به يكديگر و از جمله گياهان را فراهم آورد؛ در حالي كه اين كار با روش‌هاي معمول و كلاسيك به‌نژادي امكان‌پذير نيست. اين فناوري حتي مي‌تواند ژن‌هاي مصنوعي طراحي نمايد و به موجودات انتقال دهد. بنابراين تنوع در خزانه ژني (gene pool) را افزايش مي‌‌دهد.

به طور كلي دامنه مطالعات و كاربردهاي مهندسي ژنتيك شامل موارد زير مي‌‌باشد:

1- مطالعات بنيادي در زمينه زيست­شناسي پايه و از جمله شناسايي، جداسازي و شناخت اجزاء ژن و عمل آن‌ها، چگونگي فعاليت رونويسي، ترجمه و ابراز (بيان) ژن‌ها و بررسي فرآورده پروتئيني آن‌ها، يكي از مهمترين نقاط تمركز پژوهش‌هاي مهندسي ژنتيك مي‌‌باشد.

2- توليد كاوشگرهاي تشخيصي (diagnostic probes) جهت شناسايي توالي‌‌هاي مشابه كه در مطالعات بيوتكنولوژي و همچنين تشخيص صفات از قبيل مقاومت و يا حساسيت به آفات و بيماري‌ها و شناخت ارقام هر گياه كاربرد دارد.

3- تراريزش يا انتقال ژن به روش‌هاي مهندسي ژنتيك (transformation) و توليد گياهان و جانوران تراريخته transgenic داراي صفات جديد و يا تغييريافته، امروزه يكي از مهمترين و كاربردي‌ترين استفاده‌هاي مهندسي ژنتيك در كشاورزي مي‌‌باشد و گياهان تراريخته مي‌توانند جهت استفاده‌هاي مستقيم يا غيرمستقيم غذا، علوفه‌ و الياف بكار روند و يا اينكه در برنامه‌هاي به‌نژادي، توليد مواد دارويي و صنعتي استفاده شوند.

گياهان تراريخته (Transgenic Plants) و اهميت اقتصادي آن‌ها:

فنون دست‌ورزي ژنتيكي گياهان در اوايل دهه 80 ميلادي ابداع گرديد و نتايج كاربردي آن از اوايل دهه 90 با ايجاد گياهان تراريخته مقاوم به آفات، بيماري‌ها و علف‌كش‌ها به ثمر نشست. اكنون حدود دو دهه از پيدايش فنون دي‌ان‌‌آي نوتركيب و مهندسي ژنتيك گياهي مي‌گذرد. در اين مدت سرمايه‌گذاري‌هاي هنگفت و تلاش فراواني در نقاط مختلف دنيا براي توسعه و بهبود اين فنون جهت دستيابي به اهداف موردنظر به‌عمل آمد. مهندسي ژنتيك، انقلاب سبزي را براي بهبود كمي و كيفي محصولات كشاورزي و غلبه بشر بر گرسنگي و فقر غذايي بنيان نهاده است. 
دانشمندان با دست‌كاري ژن‌هاي يك گياه، جانور و ميكروارگانيسم، نژادهاي تراريخته‌اي از آن را به وجود مي‌آورند كه نسبت به نژاد طبيعي، به آفات و بيماري‌ها و يا سموم مقاوم بوده، ‌‌يا برخي عناصر غذايي و ويتامين‌ها را كه نوع طبيعي فاقد آن است، توليد مي‌نمايد. لذا اين قبيل گياهان يا جانوران، محصول بيشتر و با كيفيت بهتري توليد مي‌كند. در دهه آينده اميد مي‌رود با استفاده از گياهان زراعي تراريخته، افزايش عملكرد از 10 به 25 درصد برسد.
از سال‌هاي‌ 1982 و 1983 كه‌ اولين‌ انتقال موفقيت‌آميز ژن‌ها به سلول‌هاي گياهي انجام شد، سرعت پيشرفت ايجاد گياهان تراريخته افزايش يافت‌. اولين آزمايش مزرعه‌اي گياهان تراريخته در سال 1986 در كشور فرانسه انجام گرفت. اما استفاده عملي از گياهان تراريخته، زماني آغاز شد كه كشور چين تنباكو و گوجه‌فرنگي تراريخته مقاوم به ويروس را در پايان‌ سال‌ 1992 براي عرضه در بازار تصويب نمود و سپس گوجه‌فرنگي با قابليت انبارداري بيشتر توسط شركت كالگن آمريكا در سال 1994 معرفي شد. امروزه توليد گياهان تراريخته از عمده‌ترين كاربردهاي بيوتكنولوژي در كشاورزي مي‌باشد. در حال حاضر، انتقال ژن از طريق مهندسي ژنتيك و توليد گياهان تراريخته در مواردي همچون مقاومت به آفات، بيماري‌ها، علف‌كش‌ها، بهبود كيفيت پروتئين و روغن و غيره در بيش از 60 گياه زراعي، باغي و زينتي حاصل شده است و تعداد آن‌ها با سرعت زيادي روز به روز افزايش مي‌يابد.
سطح زيركشت اين قبيل گياهان در جهان طي سال‌هاي اخير با روند تصاعدي افزايش يافته و از سال 96 تا 2001 حدود 30 برابر شده است (جدول 1). اكنون بيش از 25 درصد سطح‌كشت جهاني گياهان تراريخته در كشورهاي در حال توسعه قرار دارد. شمار كشورهايي كه گياهان زراعي تراريخته را كشت مي‌كنند، از يك كشور در سال 1992 به چهارده كشور در سال‌ 2002 افزايش يافته ‌است.

ميزان فروش محصولات گياهان تراريخته طي سال‌هاي 1995 تا 2000 به‌سرعت افزايش يافت (جدول 2). بازار جهاني گياهان تراريخته در سال 2001 از مرز سه ميليارد دلار گذشت و پيش‌بيني مي‌‌شود كه در سال 2005 و 2010 به ترتيب تا حد 6 و 20 ميليارد دلار افزايش يابد. سود حاصل از گياهان تراريخته طي سال 1999 حدود 700 ميليون دلار بود كه بيش از دو ميليون كشاورز از آن بهره‌مند شده‌اند. در سال 2001 حدود پنج­و­نيم ميليون كشاورز از كشت اين قبيل گياهان بهره برده‌اند. لذا اكنون مقبوليت گونه‌هاي جديد زراعي، باغي و حتي دام‏هاي تراريخته نزد كشاورزان افزايش يافته است و اين خود موضوعي است كه دانشمندان را به سوي توليد فرآورده‏هاي نوين و با قابليت‏هاي بيشتر سوق مي‏دهد.
پيش‌بيني مي‌‌شود كه در سال 2025 حدود 1،6 ميليارد نفر در جهان از طريق مهندسي ژنتيك غلات تغذيه خواهند نمود. شركت زنكا (Zeneca) معتقد است كه بازار جهاني گياهان تراريخته در سال 2020 به 75 ميليارد دلار خواهد رسيد، لذا سرمايه‌گذاري در اين زمينه را از 20 ميليون دلار در سال 97 به 60 ميليون در سال 98 افزايش داد. شركت نوارتيس سوئيس نيز حدود 20 ميليون دلار طي سال‌هاي 99 و 2000 براي گسترش ساختمان موسسه تحقيقات بيوتكنولوژي خود هزينه نمود.

كاهش هزينه كشاورزان از طريق كنترل بهينة آفات، بيماري‌ها، علف‏هاي هرز، كاهش مصرف سموم و افزايش كميت و كيفيت محصول، از جمله مزيت‌هاي حاصل از كاربرد گياهان تراريخته (تغييريافتة ژنتيك) مي‌باشد. گياهان تراريخته مقاوم به آفات و بيماري‌هاي شايع و خسارت‌زا قادرند خسارات ساليانه 30 درصدي محصولات كشاورزي را كاهش دهند؛ در نتيجه امروزه شاهد رويكرد كشاورزان در كشورهاي صنعتي به سوي كاشت و بهره‏برداري از اين قبيل گياهان هستيم. كاشت اين‌گونه گياهان، هزينه‌هاي مبارزه شيميايي و كاربرد سموم دفع آفات نباتي را كاهش مي‌دهد. از سوي ديگر صدمات وارده به منابع زيستي مثل خاك و آب‌هاي زيرزميني را به حداقل مي‌رساند. براي روشن شدن مطلب به ذكر چند مثال زير بسنده مي‌شود:

زمينه‌هاي مختلف كاربرد گياهان تراريخته:

1- مبارزه با آفات و بيماري‌ها

يكي از رويكردهاي بيوتكنولوژي براي مبارزه با آفات و بيماري‌هاي گياهي، مقاوم نمودن گياه از طريق دست‌كاري ژنتيك و انتقال ژن مي‌باشد. توليد گياهان تراريخته حاوي ژن‌هاي توليدكننده پروتئين‌هاي سمي، كه در مقابل آفات خاصي بسيار سمّي و مؤثر بوده و در عين حال براي انسان، گياه، حيات‌وحش و حشرات مفيد، زياني ندارند، از مثال‌هاي كاربردي مهندسي ژنتيك مي‌باشد.
استخراج ژنBt از باكتري Bacillus Thuringiensis و انتقال آن به ذرّت، پنبه و سيب‌زميني باعث مقاومت آنها در مقابل حشرات شده است. اكنون ميليون‌ها هكتار از اين قبيل گياهان در تعدادي از كشورهاي صنعتي و در حال توسعه جهان كشت مي‌شود. واضح است كه اين فناوري با از بين بردن نياز به استفاده از سموم شيميايي، چه خدمتي به حفظ محيط‌زيست و صرفه‌جويي اقتصادي كشاورزان مي‌نمايد كه در بخش قبلي نيز چند مثال ذكر شد.
در دانشگاه ديويس كاليفرنيا، انتقال ژن mi به گوجه‌فرنگي و ابراز آن در برگ‌‌ها موجب مقاومت به نماتد گره‌‌زاي ريشه (Root knot) و شته مي‌‌شود، ولي اين ژن در درجه حرارت‌‌هاي بالاتر در مناطق گرمسيري غيرفعال مي‌‌شود و نياز به مطالعات بيشتر دارد.
انتقال ژن Bt به باكتري خاكزي سودوموناس فلوئورسنس (Pseudomonas fluorescence) كه با ريشه غلات و سويا همزيست مي‌‌باشد و اضافه‌كردن اين باكتري به خاك مي‌‌تواند خسارت كرم اگروتيس يا شب‌پره زمستاني (Agrotis ipsilon or Black cutworm) در غلات را كنترل كند. محققان آمريكايي با انتقال ژن Pin2 به گياه برنج باعث مقاوم شدن آن در برابر حشرات شده‌اند.
انتقال ژن Bt به يك ريزسازواره درونزاد (Endophyte microorganism) كه داخل دستگاه آوندي گياهان زندگي مي‌‌كند و تكثير مي‌‌شود و آغشته‌‌سازي بذور ذرت و برنج با آن‌ها، موجب كنترل كرم ساقه‌‌خوار ذرت و برنج مي‌‌شود. آزمايشات مزرعه‌‌اي نشان داده است كه ريزسازواره در خارج از گياه زنده نمي‌‌ماند و به گياهان تلقيح نشده همجوار نيز منتقل نمي‌‌شود. بنابراين مشكل زيست‌محيطي نخواهد داشت.

2- مبارزه با علف‌هاي هرز

مهندسي ژنتيك در مبارزه با علف‌هاي هرز نيز به كمك كشاورزي آمده است. انتقال ژن‌هاي مقاومت به علف‌كش كه منشاء باكتريايي دارند، توانسته است ارقام جديدي از گياهان ذرت، پنبه، سويا و كلزاي مقاوم به علف‌كش‌هاي مهم همچون رانداپ و باستا را ايجاد نمايد. گياهان تراريخته مقاوم به علف‌كش اكنون بيشترين سطح كشت جهاني گياهان تراريخته را به خود اختصاص داده‌اند.

‌3- بهبود كيفيت غذايي

تعدادي از ژن‌هاي مربوط به كيفيت پروتئين از جمله لگومين در نخود، فازئولين در لوبيا، زئين در ذرت، گليادين‌ها و گلوتنين‌هاي با وزن مولكولي بالا در گندم، شناسايي و همسانه‌سازي (كلون) شده‌اند و در بعضي موارد (از جمله در گندم) به گياهان منتقل شده‌اند. انتقال ژن پروتئين فريتين Ferritin تحت كنترل يك پيش‌‌بر در دانه برنج موجب گرديد آهن قابل استفاده (فرم فرو) آن افزايش يابد. در سوئد ژن‌‌هايي به برنج منتقل كرده‌‌اند كه موجب توليد و ذخيره بتاكاروتن در دانه مي‌‌شود. اين ماده در بدن انسان به ويتامين A تبديل مي‌‌شود و مي‌‌تواند به عنوان يك منبع تامين‌كننده ويتامين A مطرح باشد. بدين ترتيب در آينده نزديك، دانه‌هاي برنج غني از ويتامين A به ياري كساني كه غذاي اصلي آنها برنج بوده و به دلايلي از فقر ويتامين A رنج مي‌برند، خواهد شتافت
.

4- تحمل نسبت به تنش‌هاي محيطي

حدود 80 درصد اختلاف بين مقدار محصول بدست آمده و محصول مورد انتظار از خسارات تنش‌هاي محيطي ناشي مي‌شود. اكثر موفقيت‌هاي كاربردي مهندسي ژنتيك در زمينه صفات تك‌ژني ساده بوده است. اما بسياري از صفات اقتصادي و مطلوب در كشاورزي از جمله تحمل به تنش‌هاي محيطي توسط تعداد زيادي ژن كنترل مي‌‌شوند و كار براي اصلاح اين صفات مشكل مي‌‌باشد. با اين وجود، برخي از ژن‌ها مرتبط با تنش‌هاي محيطي از قبيل تحمل به سرما، گرما، عناصر سنگين، ‌شوري و خشكي شناسائي و استفاده شده‌اند، ولي كاربرد تجاري از آن‌ها بدست نيامده است.
به عنوان مثال مي‌توان از انتقال ژن مانيتول (يك ژن باكتريايي) براي افزايش تحمل به شوري در توتون نام برد. همچنين مهندسي ژنتيك توانسته است سيب‌زميني و توت‌فرنگي مقاوم به يخبندان ايجاد نمايد. انتقال يك ژن باكتريايي به گياه تنباكو، به بقاي آن در محيط شور كمك نموده است. با توليد برنج مقاوم به شوري نيز امكان زيركشت بردن 86.5 ميليون هكتار از زمين‌هاي شور جنوب و جنوب شرقي آسيا فراهم مي‌آيد. دانشمندان ژاپني مشغول تحقيق در مورد توليد نوعي برنج پايدار در برابر خشكي و سرما و مقاوم به بيماري‌ها هستند.

 5- توليد مواد دارويي از گياهان

بكارگيري فناوري نوين زيستي علاوه بر آنكه در توسعه منابع جديد غذايي، حفظ محيط‌زيست و غيره منشاء اثرات مفيد بوده است، در ارائه راهكارهاي نوين و آسان در برقراري و حفظ بهداشت و سلامت بشر نيز موفق عمل نموده است. توليد واكسن‏هاي خوراكي و فراورده‏هاي دارويي بوسيلة گياهان نيز رويداد مهمي است كه منجر به افزايش كيفيت زندگي در كشورهاي عقب­مانده خواهد گشت. براي مثال، واكسيناسيون افراد دركشورهاي در حال توسعه، نيازمند خريد سالانه واكسن از كشورهاي صنعتي است و نياز به سرمايه‌گذاري‌هاي كلان جهت ايجاد زيرساختارهاي بهداشتي و فراهم نمودن تجهيزاتي دارد كه دسترسي به آنها سهل و ارزان نيست. اما بيوتكنولوژي گياهي توانسته است پيشرفت‌هاي قابل ملاحظه‌اي در توليد واكسن‌هاي خوراكي در گياهان زراعي يا ميوه‌جات ايجاد كند.
توليد واكسن هپاتيت B در ذرت و موز و توليد واكسن cholera در سيب‌زميني، از نمونه‌هاي اين كاربرد بيوتكنولوژي مي‌باشند. اين گونه واكسن‌هاي نوتركيب در مقايسه با واكسن‌هاي تزريقي از هزينه بسيار كمتري برخوردارند. نتيجه يك برآورد در آمريكا نشان مي‌دهد كه هزينه واكسن تزريقي هپاتيت B به ازاي هر فرد 200 دلار مي‌باشد ولي استفاده از موز و گوجه‌فرنگي حاوي اين واكسن (واكسن خوراكي) كمتر از 10 دلار هزينه دارد.
تغذيه از سيب‌‌زميني تراريخته حامل ژن دورگ كلراانسولين Chlora-Insuline كه گلوتاميك اسيد دكربوكسيلاز (GAD) را توليد مي‌‌كند از ابتلاء به ديابت جلوگيري مي‌‌نمايد. اين مورد در صورت موفقيت مي‌‌تواند يك روش آسان و ارزان براي جلوگيري از اين بيماري باشد. لازم به ذكر است تغذيه موش‌‌هاي مستعد ديابت موجب كاهش وقوع آن و شدت پاسخ ايمني گرديد.
تنباكوي توليدكننده هموگلوبين انساني و ملانين در ايالت كاروليناي شمالي آمريكا در حال انجام آزمايشات مزرعه‌‌اي مي‌‌باشد.

6- توليد آنزيم‌ها و فرآورده‌هاي صنعتي

در حال حاضر پژوهشگران، سيستم‌هاي ويژه‌اي براي كنترل ژن‌هاي نو‌تركيب در داخل گياهان ابداع كرده‌اند كه آنها را قادر ساخته تا بتوانند ويژگي‌هاي موردنظر را تنها در يك قسمت از گياه به وجود آورند؛ به صورتي كه بتوان از يك گياه علاوه بر محصول اصلي و زراعي آن، فرآورده‌هاي جانبي ديگري نيز بدست ‌آورد. اخيراً نوعي سيب‌زميني به‌وجود آمده است كه قابليت توليد دو نوع محصول، يكي غذايي و ديگري آنزيمي را تواماً دارا مي‌باشد.
آنزيم‌هاي صنعتي در فرمانتورها (بيوراكتورها) توليد مي‌شوند، اما توليد آنها بدين روش، به‌ دو عامل گران‌قيمت يعني زمان و نيروي كار وابسته است. پژوهشگران معتقدند استفاده از گياهان به عنوان بيوراكتورها براي توليد آنزيم‌ها، آسان‌تر و ارزان‌تر خواهد بود. هزينه توليد يك گرم محصول با استفاده از فرمانتور 50 تا 250 دلار است در صورتي كه توليد آنزيم‌ در گياهان، كمتر از يك پني براي هر گرم محصول هزينه در بر دارد. اين مساله تنها به سيب‌زميني محدود نمي‌شود، بلكه از گياهان ديگر به‌ويژه ذرت نيز مي‌توان براي توليد آنزيم در قسمت‌هاي غيرخوراكي آنها استفاده كرد. توجه به اين نكته ضروري است كه بيش از 120 ميليون تن ساقه خشك ذرت و 4 ميليون تن برگ و ساقه خشك سيب‌زميني در هر سال توليد مي‌شود كه مي‌تواند منبعي براي توليد مواد صنعتي باشد. علاوه بر اين، كشاورزان مي‌توانند با كشت يك گياه و صرف هزينه واحد، همزمان دو محصول را توليد كنند كه بدين ترتيب افزايش درآمدي بالغ بر 100 تا 200 دلار در هر ايكر (واحد سطح) را به دنبال خواهد داشت. مشاهده مي‌شود كه چنين دستاوردهايي علاوه بر كاهش بسياري از هزينه‌ها، موجب آشتي هر چه بيشتر تكنولوژي و طبيعت نيز مي‌شود. همچنين مي‌توان از توليد آزمايشي پلاستيك توسط گياه خردل در دانشگاه استنفورد آمريكا و استخراج روغن صنعتي توسط پژوهشگران اسكاتلندي از طريق دستكاري ژنتيكي گياه Meadow Foam نام برد. پژوهشگران اكنون بدنبال گياهاني مانند Thaumatococcus danielli هستند كه توليد پروتئين تاوماتين Thaumatin آن حدود 2500 مرتبه از شكر شيرين‌تر مي‌‌باشد و مبداء آن در آفريقا است.

7- كاهش نياز گياهان به كودهاي شيميايي

در زمينه دست‌ورزي سيستم تثيبت ازت و جذب فسفر و پتاسيم نيز ژن‌هايي شناسايي و همسانه‌سازي شده‌اند و مطالعاتي در حال انجام مي‌‌باشد. به عنوان مثال، ژن‌‌هاي ترانسپورتر فسفات از آرابيدوپسيس جداسازي و كلون شده‌‌اند و وجود چنين ژني در گوجه‌فرنگي نيز گزارش شده است. چنين راهبردهايي در آينده مي‌تواند نقش مهمي در حل مشكلات حاصلخيزي خاك‌ و كاهش نياز گياهان به كودهاي شيميايي ايفا نمايد.

ب) كاربرد نشانگرهاي مولكولي (پروتئين و دي.ان.آ)

نشانگرهاي مولكولي، يك وسيله و ابزار مفيد و دقيق مي‌‌باشند كه روش‌‌هاي مبتني بر استفاده از آن‌ها به عنوان مكمل روش‌هاي سنتي و كلاسيك در سرعت بخشيدن به برنامه‌هاي به‌نژادي، افزايش دقت و صرفه‌جويي در نيروي كار و هزينه‌ها نقش چشمگيري دارند. پيدايش تكنيك PCR و نشانگرهاي مولكولي دي‌ان‌آ در اوايل دهه 80 ميلادي و تكامل تدريجي آن‌ها به كمك ابداع ابزارها و وسايل نوين پيشرفته باعث گرديد كه مفاهيم ژنوميكس، بيوانفورماتيكس و پروتئوميكس در اواسط دهه 90 به عرصه بيولوژي مولكولي وارد شوند و باب‌هاي جديدي از كاربردهاي بيوتكنولوژي نوين گشوده شود. مجموعه اين دستاوردها موجب شد كه پايان قرن بيستم با اتمام پروژه‌هاي بررسي ژنوم چندين موجود و از جمله انسان، آرابيدوپسيس و برنج مصادف شود. اگرچه برخي از متخصصين، نشانگرهاي بيوشيميايي شامل آيزوزايم‌‌ها و پروتئين‌هاي كلي و ذخيره‌اي را كه از اواسط دهه 1950 ميلادي معرفي شده‌اند به عنوان نشانگرهاي مولكولي مي‌شناسند، اما امروزه واژه نشانگرهاي مولكولي بيشتر با نشانگرهاي دي‌ان‌آ مترادف مي‌باشد.
انواع مختلفي از نشانگرهاي مولكولي دي‌ان‌آ (DNA) تا به امروز معرفي شده‌اند و دقيق­ترين ابزار را براي بررسي ساختار ژنتيكي موجودات فراهم نموده‌اند. نشانگرهاي اراف‌ال‌پي (RFLP)، رپيد (RAPD)، SSR، AFLP ،STMS، ESTs و ALP از مهمترين نشانگرهاي دي‌ان‌‌آ محسوب مي‌شوند.
نشانگرهاي مولكولي در عرصه مطالعات ژنتيك، سيتوژنتيك، رده‌بندي و به‌نژادي، داراي كاربردهاي متعددي هستند كه دو مورد از مهمترين آنها به شرح زير مي‌باشند:
1. بررسي روابط خويشاوندي و روند تكاملي: شناخت تنوع ژنتيكي و طبقه‌بندي ذخائر توارثي، يك امر زيربنايي و پايه براي طراحي موفق برنامه‌هاي به‌نژادي مي‌‌باشد و همچنين در آسان نمودن مديريت حفظ و نگهداري مجموعه‌هاي ژنتيكي نقش بسزايي دارد. بررسي‌‌هاي تنوع ژنتيكي و طبقه‌‌بندي از طريق نشانگرهاي مولكولي به طور گسترده‌‌اي در ساير كشورها براي اكثر گياهان انجام شده است. انجام اين كار در مورد ذخاير توارثي گياهان نيز جنبه بنيادي-كاربردي دارد و براي كمك به طراحي برنامه‌‌هاي به‌‌نژادي، بسيار ضروري است. همچنين مي‌‌توان با شناسايي و حذف نمونه‌‌هاي تكراري موجود در بانك ژن از هزينه‌‌هاي اضافي براي تكثير و نگهداري آن‌ها جلوگيري نمود.
2. تعيين نقشه ژنتيكي (جايگاه كروموزومي و پيوستگي ژن‌ها): تعيين نقشه ژنتيكي موجودات در مطالعات ژنتيك پايه و به‌نژادي اهميت دارد. نقشه‌يابي و تعيين توالي ژنوم گياهان همچنين به روشن شدن عمل ژن و تنظيم ابراز آن كمك مي‌‌كند.امروزه رديابي صفات مطلوب و سهولت انتخاب به كمك نشانگرها (MAS or Marker-aided selection) از طريق تعيين پيوستگي (لينكاژ) آن‌ها با صفات مهم زراعي (كمي و كيفي) امكان‌پذير شده است. اين موضوع، امكان گزينش سريع و دقيق ژنوتيپ‌‌هاي مطلوب را در مراحل اوليه رشد فراهم كرده و طول دوره به‌نژادي را كوتاه مي‌‌نمايد. اين مقوله به خصوص طي سال‌هاي اخير به شدت مورد توجه قرار گرفته است و موفقيت‌‌هاي زيادي از قبيل تشخيص گياهان مقاوم به يك آفت يا بيماري كه در برنامه‌هاي به‌نژادي و اجراي مقررات قرنطينه نباتي اهميت دارند، بدست آمده است. اين جنبه كاربردي در گياهان چندساله و به‌خصوص درختان كه اغلب طول دوره جواني در آن‌ها زياد مي‌‌باشد، اهميت بيشتري دارد و باعث افزايش دقت و صرفه‌جويي در زمان، نيروي كار، هزينه‌ها و امكانات مزرعه‌اي مي‌‌شود.
شناسه‌‌هاي مولكولي (Molecular tags) براي بسياري از صفات در گياهان زراعي توسط انواع مختلف نشانگرهاي مولكولي تهيه شده است. مثال‌هايي از پيوستگي نشانگرهاي مولكولي بيوشيميايي و دي-ان-آ براي برخي از صفات مهم در گياهان مختلف از قبيل گوجه‌فرنگي، گندم، ذرت، جو، سويا، نخودفرنگي و برنج كه در انتخاب به كمك نشانگرها (MAS) قابل استفاده هستند وجود دارند. انتخاب به كمك نشانگرها به‌خصوص براي شناسايي صفات كمي و مقاومت گياهان به آ‌فات و بيماري‌‌ها سودمند مي‌‌باشد. اگرچه روش‌‌هاي مرسوم (سنتي) براي ارزيابي مقاومت به آفات و بيماري‌ها توانسته‌‌اند نتايج بسيار خوبي ارائه دهند ولي اغلب به هزينه و زمان زياد نياز دارند. همچنين هميشه گياهاني هستند كه از نظر ژنتيكي حساس هستند اما از بيماري‌‌ها يا آفات فرار مي‌‌كنند و حساسيت آن‌ها در نسل‌‌هاي بعدي بروز مي‌‌كند.
لازم به ذكر است از اواخر دهه 1980 ميلادي شناسايي مكان‌هاي ژني صفات كمي (QTLs) از طريق پيوستگي با نشانگرهاي مولكولي مورد توجه واقع شده است. بسياري از مكان‌‌هاي ژني صفات كمي توسط اين نشانگرها در تعدادي از محصولات زراعي از قبيل گوجه‌فرنگي، ذرت، جو و برنج شناسايي شده‌اند. نشانگرهاي مولكولي پيوسته با صفات كمي همچون مقدار مواد جامد در گوجه‌فرنگي، برگرداندن باروري و سازگاري وسيع دورگ و عدم عقيمي، مقاومت به خشكي، شكل ريشه، زمان خوشه‌دهي و ريزش در برنج گزارش شده‌اند. همچنين تعيين كيفيت نانوايي گندم و تشخيص گندم نان از گندم دوروم توسط بررسي واحدهاي گلوتنين از پروتئين‌‌هاي ذخيره‌اي دانه گندم امكان­پذير مي‌‌باشد.

ج) كشت سلول‌‌ها و بافت‌هاي گياهي

كشف پديده توتي پوتنسي (Totipotency) يا توانايي يك سلول در ايجاد يك موجود كامل باعث شد تا در اواخر دهه 1960 ميلادي روش‌هاي كشت سلول، بافت‌‌ها و اندام‌‌هاي گياهي توسعه يابند. اين روش‌ها به نام كشت بافت موسوم مي‌‌باشند. فنون كشت سلول و بافت در اواخر دهه 70 توسعه يافتند و تكثير گياهان با روش مذكور از اوايل دهه 80 ميلادي رايج شد. همچنين توسعه روش‌هاي انتقال ژن و مهندسي ژنتيك و ايجاد گياهان و جانوران تراريخته بدون فنون كشت سلول و بافت امكان‌پذير نبود. شناخت سريع كاربردهاي وسيع فنون كشت بافت توسط متخصصين موجب گرديد تا اين فنون به‌سرعت گسترش يابند. به طوري كه شايد امروزه از فعاليت‌‌هاي ساده و معمول بيوتكنولوژي به‌خصوص براي به‌نژادي گياهان به‌شمار مي‌‌آيند.
بسياري از كاربردهاي كشت بافت گياهي در زمينه اصلاح و بهبود گياهان كشاورزي از اواخر دهه 1980 ميلادي در سطح وسيع جنبه كاربردي پيدا نموده‌‌اند. برزيل به كمك فنون كشت بافت توانسته است رقم‌‌هايي از نيشكر بدست آورد كه عملكرد بيشتري دارند و به علف‌‌كش نيز مقاوم هستند. كشور مكزيك در زمينه كشت بافت براي توليد ميوه‌‌جات و گل‌هاي زينتي براي صادرات فعاليت مي‌‌كند. هلند سالانه مقادير بسيار زيادي بذر سيب‌‌زميني عاري از ويروس و انواع گل‌‌هاي زينتي را كه از طريق ريزازديادي تكثير شده‌‌اند به كشورهاي ديگر صادر مي‌‌كند. رقم گندم زيائويان6 (Xiaoyan6) در چين از تلاقي T. aestivum x Agropyron elongatum و بكارگيري فن نجات جنين توليد شده است كه 38 ميليون هكتار سطح زيركشت دارد و افزايش عملكرد ناشي از آن حدود 16 ميليون تن (420 كيلوگرم در هكتار) بوده است.
يك شركت چند مليتي با استفاده از روش‌‌هاي كشت بافت و سلول، ساليانه بيش از يك ميليون اصله نهال نخل روغني توليد و تكثير مي‌نمايد و به كشورهاي جهان سوم صادر مي‌‌كند. سرعت عمل، خالص بودن و سالم بودن باعث مي‌‌شود محصول (در مقايسه با كشت و تكثير معمولي نخل) حدود 30 درصد افزايش يابد. در كره از طريق كشت بافت سيب‌زميني طي سال‌هاي 1981 تا 1986 ميزان محصول از 12 به 26 تن در هكتار رسيده است. برخي از كشورها از كشت بافت و روش Cryopreservation (نگهداري بافت‌‌هاي زنده گياهي در شرايط سرماي زياد) براي استفاده در بانك ژن نگهداري طولاني مدت جهت حفظ ذخاير ژنتيكي گياهاني كه از طريق غيرجنسي تكثير مي‌‌شوند و يا نگهداري بذور آن‌ها به روش‌‌هاي معمول در بانك ژن مشكل و پرهزينه مي‌‌باشد، استفاده نموده‌اند...


آخرین مطالب