مسایل ژنتیکی و فنون دست ورزی ژنی در گیاهان
اهميت ذخاير توارثي كه در واقع ريخته هاي ارثي موجود در توده هاي بومي زراعي و خويشاوندان آنهاست به لحاظ نقشي است كه آنها در اصلاح نباتات ، برنامه هاي اصلاحي و امروزه در بيوتكنولوژي و مهندسي ژنتيك از لحاظ انتقال صفات مطلوب به گونه هاي زراعي، دارا هستند، مي باشد . همچنين جنبة ديگر اهميت اين ذخاير ارزشمند ، وجود پديدة شوم قاچاق ژن از مناطق مختلف و بنابراين در خطر افتادن امنيت زيستي و غذايي مي باشد .
در واقع صفات و پتانسيل ژنتيكي مطلوب كه مد نظر به نژادگران است ، در اين ريخته هاي ارثي موجود است كه به نژادگر از اين ذخاير توارثي براي ايجاد صفات مطلوب و انتقال ژنهاي موردنظر به گياهان فاقد اين صفات استفاده مي كند .
نقش علم اصلاح نباتات در افزايش توليد و به نژادي گياهان كاملاَ روشن است . با توجه به نقش مواد و محصولات كشاورزي در تغذيه بشر در جهان امروز و با توجه به رشد تصاعدي جمعيت و روند خطي توليد محصولات كشاورزي ، با توجه به تكنيكهاي اصلاحي،شناخت ذخاير توارثي ، امري ضروري به نظر مي رسد.لازمه افزايش توليدات كشاورزي ، جمع آوري ، حفظ و نگهداري و ارزيابي ذخاير توارثي است كه شالودة برنامه هاي اصلاحي مي باشد .بر اين اساس بانكهاي ژن در اقصي نقاط جهان تاسيس شده است تا رسالت حفظ ميراث ذخاير توارثي را عهده دار باشند.
بنابراين با توجه به اهميتي كه بانكهاي ژن در نگهداري ذخاير توارثي دارند و همچنين مساله نوظهور و بسيار مهم امنيت غذايي در آينده و امنيت زيستي در كشوري مانند ايران كه از لحاظ خاستگاه گياهان زراعي در دنيا حائز رتبة اول مي باشد و وجود بيش از 1900 گونة اندميك در ايران ، مساله حفاظت از ذخاير توارثي و برنامه هاي پژوهشي در اين زمينه ، داراي اهميتي دوچندان مي باشد .
مسلم است كه موفقيت آيندة متخصصين اصلاح نباتات ، به حفظ ذخاير ژنتيكي امروز آنها بستگي مستقيم دارد تا بتوانند از آن در برنامه هاي اصلاحي خود استفاده نمايند. يك متخصص اصلاح نباتات در صورتي مي تواند شانس موفقيت در برنامه اصلاحي داشته باشد كه امكان انتخاب مواد مناسب و متنوع براي او وجود داشته باشد.اگر چه يكنواختي حاصل از واريته هاي اصلاح شده جديد در ميزان عملكرد ، كيفيت صفات رويشي و زمان رسيدن براي شرايط جديد كشاورزي ضروري است ، اما يك خطر پنهان در بردارد و مي تواند دريچه باشد براي ورود آفات و امراض و ساير مشكلات ناشي از يكنواختي و پاية ژنتيكي ضعيف در واريته هاي موجود ارقام زراعي . بنابر اين از اين جنبه نيز به اهميت حفظ و شناسايي ذخاير ژنتيكي غني پي مي بريم
تولید گیاهان تراریخت مقاوم
آرسنیک یک عنصر فلزی بسیار سمی است که سالانه سلامتی میلیونها نفر از مردم جهان را به خطر انداخته است. فرمهای معدنی آرسنیک بیش از فرمهای دیگر آن برای سلامتی انسان خطرناک است و از لحاظ تقسیم بندی جز ترکیبات نوعA ترکیبات سرطان زا محسوب می شود. این ماده سمی عوارضی همچون بیماریهای پوستی، تنفسی و امراض مرتبط با کلیه و سرطان کبد را بوجود می آورد. و همچنین صدمات جبران ناپذیری به سیستم عصبی وارد می کند. در اکثر موارد پاکسازی محلهای آلوده به جهت هزینه های سنگین و صدمات محیطی جبران ناپذیر را همراه دارد. از جمله روشهای متداول برای پاکسازی حذف و آلوده این ماده است. بسیاری از گیاهان در طبیعت قادرند که مواد آلوده کننده محیط زیست را از طریق جذب مواد مغذی از طریق ریشه ازآب و خاک خارج و در اندامهای خود ذخیر و انباشته کنند و لذا از راهکارهای اقتصادی موجود استفاده از این گیاهان در مناطق آلوده می باشد. بهر حال شناخت زمینه ها و مکانیزمهای ژنتیکی این رفتار گیاهان هنوز در هاله ای از ابهام هست فلذا تلاشهای زیادی برای شناسایی آنزیمهای مسئول مسیرهای بیوشیمیایی جذب و انباشته سازی عناصر سمی در حال انجام است. اخیرا دانشمندان علم مهندسی ژنتیک موفق به بیان مناسب دو ژن باکتریایی ارسنیک رودکتاز و گلوتامیل سیستئین سنتتاز از Ecoli به گیاه آرابیدوسیس شدند. در نتیجه گیاهان تراریخت حاصل 4 الی 17 برابر قدرت تجمع بیشتر نسبت به جذب و انباشته سازی آرسنیک پیدا کردند. این گیاهان می تواند در سطح وسیع و با هزینه بسیار اقتصادی برای رفع آلودگیهای آرسنیک مورد استفاده قرار گیرند.
ژنی که باعث مقاومتر شدن گیاه میشود
کشف ژنی که باعث مقاومتر شدن گیاه میشود
ایسکانیوز ـ گروهی از دانشمندان به سرپرستی روبرتو گازیولادر سلول گیاهی ژنی را یافتند که میتوان به کمک آن گیاهی مقاوم تولید کرد. این گیاه در شرایط خشک آب و هوایی و همچنین در خاکهای بدون مواد معدنی لازم به خوبی رشد میکند.
پیش از این دانشمندان تصور میکردند عملکرد این ژن در سلولهای گیاهی بسیار محدود است اما اکنون دریافتند که ژن مزبور با کنترل تقسیم سلول و انتقال هورمون نقش بسیار مهمی در ریشه و همچنین هنگام جوانه زدن گیاه ایفا میکند و باعث میشود گیاه مقاومتر و ریشههای وسیعتری داشته باشد و پوشش برگ آن را نیز 60درصد افزایش میدهد.
کازیولا گفت: این کشف میتواند انقلابی در صنعت کشاورزی ایجاد کند و با فرضیههای قبلی که درباره این ژن گفته میشد کاملاً متفاوت است از این رو لازم است کتابها و مقالات مربوط در این زمینه به کلی بازنویسی شود.
وی در ادامه افزود: معمولاً گیاهانی که ریشههای بیشتری دارند سالمتر هستند و محصول و بار آنها نیز بیشتر است. هرچه ریشه وسیعتر باشد گیاه بهتر میتوان آب و مواد معدنی لازم را از خاک جذب کند.
انتقال چند T-dna به یک سلول گیاهی و تولید گیاهان تراریخته
انتقال چند T-DNA به یک سلول گیاهی و تولید گیاهان تراریخته
به خاطر انتشار ژنهای مقاومت به آنتیبیوتیک در طبیعت یا فرار ژنهای مقاومت به علفکش به گونههای علفی وحشی، دانشمندان به دنبال راهحلهایی برای تولید "گیاهان تراریخته عاری از نشانگر"[۱] هستند.
این گیاهان در ابتدا بر مبنای مقاومت به آنتیبیوتیک و علفکش انتخاب شده ولی در مراحل بعدی دستورزی و رشد گیاهان، نشانگر انتخابی برداشته خواهد شد. روشهای مختلفی برای حذف نشانگر انتخابی از گیاهان تراریخته اولیه پیشنهاد شده است. این روشها شامل استفاده از سیستم نوترکیبی در جایگاه اختصاصی، مثل Cre-lox یا Flp-Frt برای برداشتن نشانگر، "حرکت ترانسپوزونی"[۲] نشانگر انتخابی از جایگاه اولیه خود پس از ورود به ژنوم گیاهی، به طور کامل یا به جایگاهی غیر مرتبط که در نسلهای بعدی تفرق یابد، یا بهرهبرداری از چندین T-DNA که در جایگاههای غیر مرتبط وارد شده و در مراحل بعدی تفرق یابند، میشود.
هر کدام از این سیستمها مزایا و معایب خود را دارند. به طور مثال، خروج ژن نشانگر با استفاده سیستم نوترکیبی جایگاه اختصاصی، به ورود آنزیم site-specific recombinase به داخل گیاه به وسیله انتقال ژن یا تلاقی ژنتیکی نیاز دارد. تفرق نشانگرها نیز فقط در نسلهای گیاهان تراریخته رخ داده و محدود به گونههایی است که به طور طبیعی از طریق بذر تکثیر میشوند و شامل گیاهان با تکثیر رویشی نمیشود.
تحقیقات اولیه درباره الگوی تفرق T-DNA در تومورهای گال تاجی حاکی از آن است که دو T-DNA رمزشده توسط یک پلاسمید Ti نوع octopine میتوانند به طور مستقل و در برخی اوقات در چند نسخه، وارد ژنوم گیاه شوند. آنالیز مولکولی نشان میدهد که این T-DNAها میتوانستند در جایگاههای غیر مرتبط وارد شوند. این نتایج نشاندهنده این موضوع است که انتقال ژن توام برای ادغام تراژنهایی که توسط دو T-DNA مختلف حمل میشوند، امکانپذیر بوده و شاید این T-DNAها در نسلهای بعدی از همدیگر تفرق یابند. در نتیجه سه رهیافت برای انتقال ژن توام استفاده میشود:
۱) ورود دو T-DNA، هر کدام از یک باکتری مختلف؛
۲) ورود دو T-DNA که توسط رپلیکونهای جداگانه در یک باکتری حمل میشوند؛
۳) ورود دو T-DNA که در بر روی یک رپلیکون و در یک باکتری قرار گرفتهاند.
آزمایشهای اولیه با استفاده از این سه رهیافت نشان میدهد که انتقال ژن توام تکرارپذیر است. An و همکارانش نشان دادند که میتوان انتقال ژن توام به سلولهای توتون و ایجاد دو فنوتیپ مختلف را با استفاده از یک سویه آگروباکتریوم که دارای یک پلاسمید Ti بوده (رشد مستقل از فیتوهورمون) یا یک T-DNA ناقل دوتایی T-DNA (رشد مقاوم به کانامایسین)، انجام داد. این آزمایش نمایانگر رهیافت "یک سویه، دو رپلیکون" انتقال ژن است.
وقتی سلولها برای مقاومت به آنتیبیوتیک مورد انتخاب قرار گرفتند، ۱۰ تا ۲۰ درصد آنها رشد مستقل از هورمونهای گیاهی نیز نشان دادند، در حالیکه اگر انتخاب اول برای رشد مستقل از هورمونهای گیاهی انجام میگرفت، ۶۰ درصد کلوسهای ایجاد شده، به کانامایسیم مقاوم بودند. این محققان، معتقد بودند که دلیل این تفاوت فراوانی، تعداد نسخه بیشتر (۵ تا ۱۰) ناقل دوتایی در باکتری، نسبت به تک نسخه پلاسمید Ti میباشد.
این آزمایشها توسط Frammond و همکارانش ادامه یافت و آنها توانستند از بافتهای همسانهسازیشده توتون که به وسیله T-DNA از یک پلاسمید Ti و یک میکرو Ti[۳] (رهیافت یک سویه، دو رپلیکون) انتقال ژن به آنها صورت گرفته بود، گیاهان تراریخته بارور باززایی کنند. تفرق دو T-DNA در نتاج حاصل، نشان داد که T-DNAها در دو مکان ژنی جداگانه ادغام شده بودند. گروههای دیگری رهیافت یک سویه، دو رپلیکون را برای تولید گیاهان تراریختهاستفاده کردند که در ابتدا هر دو نشانگر T-DNAها ابراز شده ولی در ادامه این دو نشانگر از یکدیگر تفرق یافتند.
Depicker و همکارانش آزمایش مشابهی انجام دادند که نشانگرهای انتخابی آن، رشد مستقل از هورمونهای گیاهی و ساخت nopaline (رمزشده توسط یک پلاسمید Ti) و رشد مقاوم به کانامایسین (رمزشده توسط یک ناقل دوتایی) بود. آنها آزمایش را از دو راه انجام دادند:
۱) یا دو T-DNA با دو سویه مختلف آگروباکتریوم منتقل شدند (رهیافت دو سویه، دو رپلیکون)،
۲) یا هر دو T-DNA با یک رپلیکون در یک سویه منقل شدند (رهیافت یک سویه، یک رپلیکون). نتیجه آزمایشها این بود که انتقال توام T-DNAها توسط یک پلاسمید در یک سویه به طور قابل ملاحظهای کاراتر از انتقال توسط دو سویه متفاوت میباشد.
استفاده از یک سویه آگروباکتریوم و انتقال توام دو T-DNA از یک رپلیکون مشابه و پیگیری تفرق ژن انتخابی تا تولید گیاهان تراریخته عاری از نشانگر، توسط Komari و همکارانش و Xing و همکارانش نیز مورد بررسی قرار گرفته است. در هر کدام از این مطالعات، محققان موفق به تولید گیاهان تراریخته عاری از نشانگر با فراوانی بالایی شدهاند.
استفاده از دو سویه مختلف آگروباکتریوم برای ارسال T-DNAهای مختلف به یک سلول گیاهی، توسط گروههای متعددی انجام شده است. گرچه انتقال توام T-DNAها به جایگاههای غیر مرتبط ژنتیکی گزارش شده است، اما برخی محققان نشان دادهاند که در بسیاری از موارد، پیوستگی[۴] زیادی بین T-DNAهای مختلف وجود دارد. بر این اساس، هنوز کاملاً روشن نیست که کدام یک از این رهیافتهای انتقال ژن توام، برای تولید گیاهان تراریخته عاری از نشانگر مناسبتر هستند.