بخشی از مقاله
كاربردهاي بيوتكنولوژي در ژنتيك و اصلاح دام
بيوتكنولوژي يا فنآوري زيستي، كه به صورت توانائي بكارگيري فرآيندهاي زيستي در بعد صنعتي تعريف ميشود در دو دههِ گذشته، كاربردهاي گستردهاي در عرصه هاي كشاورزي وبهداشت، محيط زيست و غيره يافته است.
بيوتكنولوژي در مفهوم عام و نزد اكثريت مردم معناي درآمد بي دردسر را تداعي نموده است و در دههِ اخير اين كلمه را غالبا به مفهوم همه چيز براي همهِ مردم كار مي برند.
تاريخچه بيوتكنولوژي نشان مي هد كه سابقه استفاده از آن به 8 هزار سال قبل مي رسد. درزمان سومريان و روميها از ميكروارگانيزمها استفاده ميكردند. حتي در جنگ جهاني نيز آلمانها كه ازواردات گليسرول براي تهيه مادهِ منفجره نااميد شده بودند از راه توليد ميكروبي از مخمر به گليسرول رسيدند
از دهه1980، بيوتكنولوژي زمينهِ جديدي را براي رشد پيدا نمود كه‌اين تغيير مرهون پيشرفتي است كه حاصل فنآوري برش و اتصال مولكولDNA به صورت دلخواه ميباشد. اكنون اين تفكر كه بيوتكنولوژي با تكيه بر دستاوردهاي مهندسي ژنتيك قادر است منافع عظيمي را نصيب بشريت نمايند، به شدت تقويت يافته است.
مهندسي ژنتيك در واقع انقلاب عظيمي را در علوم زيستي به وجود آورده‌و با سابقهِ كوتاه قريب بيست سال، سرشار از نتايج مثبت است.
تحليلگران آگاه قرن آينده را قرن امپراطوري مهندسي ژنتيك، كامپيوتر و ليزر ناميده‌اند. امروزه در اثر مطالعات عميق و بررسيهاي ژرف مرزهاي ژنتيك مولكولي و يافته هاي مربوطه شناخت ژنها به گونه‌اي دور از تصور گسترش يافته و حجم اط‌اعات حاصله و رشد روزافزون آن قابل مقايسه با هيچ دوراني نمي باشد. نمودار زير به بعضي ازتوانمنديهاي بيوتكنولوژي در علوم مختلف اشاره مي كند:
تلقيح مصنوعي
اكنون تلقيح مصنوعي به يك فنآوري كاربردي با قدمت پنجاه ساله مبدل شده است وسطح وسيع در جمعيتهاي گاوهاي شيري براي كاهش هزينه نگهداري گاو نر و همچنين سرعت بخشيدن به پيشرفت ژنتيكي انجام مي گيرد. تلقيح مصنوعي برنامه هاي تست نتاج را در مقياس گسترده امكانپذير مي كند براي استفاده از اين تكنيك روشهاي ديگري براي انجماد اسپرم با نيتروژن مايع و رقيق كردن اسپرم ابداع گرديده است. در بعضي از كشورها همانند دانمارك و هلند استفاده عملي از تلقيح مصنوعي در صددرصد گاوداريها انجام مي گيرد.
انجماد جنين
Leibo از اولين گاو آبستن از جنين منجمد شده در بيست سال پيش گزارش مي هد و نتيجه گرفت كه جنين منجمد شده نسبت به جنين تازه 01% باروريش را از دست داده است در هر بار تخمكريزي ماده گاوها در شرايط طبيعي فقط يك اووسيت آزاد ميكنند كه صورت باروري دورهِ آبستني طولاني را نيز به دنبال دارد بنابراين از اين طريق پيشرفت ژنتيكي از يك نسل به نسل ديگر كند است. از سويي ديگر ماده گاو در طول عمر باروري خود، فقط چند گوساله توليد خواهد كرد كه معمولا از ده گوساله كمتر است. از اينرو روشهائي كه بتوانند تعداد گوساله ناشي از ماده گاوهاي با ارزش ژنتيكي بالا را افزايش دهند، مزاياي شايان توجهي خواهند داشت. يكي ازاين روشها سوپر اوولاسيون است كه باعث افزايش امكان دوقلوزائي در گله مي شود.
انتقال جنين
انتقال جنين از ديگر ابزار و تكنيكهاي اصلاحگران براي سرعت بخشيدن به پيشرفت ژنتيكي گله ميباشد. عيب روشهاي انتقال جنين اينست كه گوساله‌هاي بدست آمده ممكن است متعلق به‌يك جنس نباشند و بنابراين احتمال ايجاد گوسالهِ فريمارتين افزايش مي‌يابد. با انتقال جنين مي‌توان‌ميانگين تعداد زايش در طول عمر اقتصادي گاو را از چهار شكم به بيست و پنج يا بيشتر افزايش داد ودر نتيجه نتاج دامهاي مادهِ انتخاب شده در برنامه‌هاي اصلاحي افزايش مي‌يابد
لقاح آزمايشگاهي
لقاح آزمايشگاهي(IVF)يكي از روشهايي است كه جنين‌هاي مورد نياز براي انتقال را فراهم مي‌كند اين فرايند شامل مراحل زير است:
- تحريك تخمك گذاري در گاوهاي ماده و جمع آوري اسپرم در گاوهاي نر
- كنترل رشد فوليكول بوسيله اولتراسوند
- جمع آوري تخمك بوسيلهِ لاپارسكوپي
- لقاح در آزمايشگاه و كشت جنين
اين جنينها پس از آمادگي گاو گيرنده آماده انتقال مي‌شوند
تعيين جنسيت
يك تفاوت بارز ژنتيكي بين افراد جنسيت است. توانائي تعيين جنسيت در جنين مي‌تواند مديريت برنامه‌هاي اصلاح نژادي مهم باشد يكي از بهترين مثالها در صنعت گاوشيرده جايگزين‌كردن ماده‌هاست كه هميشه موردنياز است. از آنجائي كه معمولاإ 05% آبستني‌ها، توليد گوساله ماده‌مي‌كند اهميت توسعه روشهاي تعيين جنسيت جنين در پرورش گاوهاي شيرده و نيز گاوهاي گوشتي‌محرز است (27، 281). چندين روش براي تشخيص جنسيت به طور موفقيت آميز استفاده مي‌شودكه به ترتيب عبارتند از روش سيتوژنتيكي، تفكيك اسپرمهاي حاوي كروموزمهاي متفاوت، تعيين‌ايمينولوژيكي آنتي‌ژنH-Y ، استفاده از كاوشگرهايDNA ميباشد.
حيوانات همانندسازي شده
در اين روشها هستهِ سلولهاي بالغ و تمايز يافته را در مرحلهِ خاصي به داخل سلول تخم غيرباروري كه هسته آن خارج شده است منتقل مي‌نمايند. بدين ترتيب تولد بره‌هاي زنده از سلولهاي‌سوماتيك مثل غدد پستاني امري شدني است و از مزاياي اين عمل كاهش فاصلهِ نسل و استفاده ازتعداد محدودي از حيوانات بسيار شايسته و در نتيجه پيشرفت ژنتيكي سريع در گله است (371).
روشهاي ايجاد حيوانات تراريخت
امروزه از روش انتقال مستقيم ژنهاي كنترل كنندهِ هورمونها به ژنوم حيوانات استفاده ميشود هر چند مطالعات نشان داده است كه انتقال ژن به تنهائي كافي نيست و تنظيم دقيق و بيان يا تظاهر ژن‌نيز لازم است. با انتقال ژن مورد نظر به سيستم ژنتيكي حيوان مي‌توان ميزان توليد هورمون را به مقدارزيادي افزايش داد. از حيوانات ترانس ژنيك نظير موش جهت تشخيص بيماريهاي مهلك و خطرناك‌نظير سرطان و كم‌خوني استفاده ميشود توليد پروتئينهاي داروئي نيز توسط حيوانات ترانسژنيك‌امكانپذير است. براي توليد پروتئين داروئي ابتدا ژن مورد نظر با تكنيكهاي ريز تزريقي و غيره به‌داخل جنين تك سلولي تزريق مي‌گردد. سپس جنينها را داخل رحم مادران گيرنده جايگزين مي‌كنندبه اين ترتيب تعدادي از فرزندان متولد شده ترانسژنيك، خواهند بود كه قادر هستند ژن را به نسلهاي‌بعد انتقال دهند. عيب اين روشها اينست كه حيواناتي كه جديد و پرتوليد در نظر گرفته مي‌شوندممكن است حاوي ژنهاي مطلوب نباشند.
يكي از اهداف انتقال ژن در دامهاي شيرده، تغيير تركيبات شير ميباشد. مقدار پنير توليد مستقيما به خصوصيت مقدار كاپاكازئين شير وابسته است بدين معني كه مايه پنير فقط كاپاكازئين راسوبسترا قرار مي‌دهد و آن را به دو قسمت يك بخش كوچك كه 5% وزن كازئين اوليه را دارد و يك‌بخش بزرگتر كه پاراكاپاكازئين است تقسيم مي‌كند.
پاراكازئينات حاصل از محلول مايهِ پنير در برابر يون كلسيم حساس بوده و رسوب مي‌كندتجزيه كاپاكازئين باعث بهم خوردن تعادل بارهاي الكتريكي شده و به دنبال آن مهاجرت كازئينو به‌فاز محلول عامل اصلي و ضروري براي منعقد شدن شير، ميباشد. بنابراين افزايش توليد كاپاكازئين‌با تكنيك انتقال ژن يك احتمال منطقي به نظر مي‌رسد (4). هدف ديگر در انتقال ژن تغيير لاكتوز شيرمي‌باشد كه كمك بزرگي به امكان مصرف شير توسط بسياري از افراد است كه حساس به لاكتوزهستند و قدرت هضم لاكتوز بعد از مصرف شير يا مواد غذائي حاوي شير را ندارند.
اگر چه تكنيك انتقال ژن خبر از توليد تعدادي از دامهاي پرتوليد از لحاظ ژنتيكي را مي‌دهد .سير ترقي آن آهسته است. توسعه نژادهائي از حيوانات كه در برابر عفونتها مقاوم هستند وبا روشهاي‌ترانسژنيك از مصونيت ايمينولوژيكي توارث‌پذير برخوردار شوند نيز از اهداف ديگر توليد حيوانات‌ترانس‌ژنيك ميباشد .
شماري از ژنهاي كانديدا كه در سيستم ايمني سهيم هستند همانند ژنهاي گيرندهِ سلولهايT ژنهاي مربوط به غدد لنفاوي و ژنهاي عمدهِ سازگاري بافتيMHC)) براي انتقال ژن موردمطالعه قرار گرفته‌اند. يكي از موفقيت‌آميزترين آزمايشات ترانسژنيك ايجاد خوكهاي توليد كنندهِموگلوبين انساني است به اينصورت كه ناحيهِ تنظيم كنندهِ ژن بتاگلوبين در انسان را به دو ژن‌آلفاگلوبين متصل نموده و در نتيجه خوك ترانسژنيك قادر به توليد هموگلوبين انساني در سلولهاي‌خون خود ميباشد. بوسيلهِ آزمايشهاي شيميائي مختلف، مشخص شده است كه هموگلوبين انساني‌در خوك ترانسژنيك همان خصوصيات هموگلوبين طبيعي انساني را دارد. البته علي‌رغم اين موفقيت‌به هرحال هموگلوبين آزاد ممكن است كه جواب مشكل نباشد چون اين هموگلوبين قادر به تبادل‌اكسيژن بعد از ورود به گلبولهاي قرمز انسان نخواهد بود و معضل تجزيه شدن آن مسئله ديگري است
محدوديتهاي فرايند ترانسژنيك در دامهاي بزرگ همچون گاو عبارتند از:
- دامهاي بزرگ تعداد زياد تخمك ايجاد نمي‌كنند.
- كاشتن دوباره جنين دستكاري شده با توجه به اينكه از گوسفند و گاو در هر نوبت حاملگي فقط‌يك فرزند متولد ميشود كار آساني نيست.
- سيتوپلاسم حيوانات اهلي به اندازه‌اي كدر است كه مشاهدهِ پيش هسته بدون استفاده از فنون‌ويژه ممكن نيست
يكي از ايده‌هائي كه بسيار بعيد به نظر مي‌رسد شناسائي ژنهاي مسئول خواب زمستاني‌خرسها وانتقال آنها به گاوهاي گوشتي ميباشد كه احتمالا هزينهِ خوراك را به ميزان زيادي كاهش‌خواهد داد
در مورد طيور، مسئله ترانسژنيك بصورت مقاومت به بيماريهائي مثل كوكسيدوز، لكوزافزايش كيفيت گوشت يا پايين آوردن كلسترول تخم‌مرغ مطرح مي‌شد.
در مورد ماهي تزريقDNA به داخل تخم بارور در شماري از گونه‌ها ديده شده است در ماپيش هسته كاملا در زير ميكروسكوپ قابل روِيت نيست بنابراينDNA به داخل سيتوپلاسم‌تخمهاي بارور يا جنينهائي كه در مرحلهِ چهار سلولي هستند تزريق ميشود.
بر خلاف پستانداران در ماهي لقاح خارجي است و رشد جنين در آب صورت مي‌گيرد. از اينرو نياز به روشهاي لانه گزيني وجود ندارد. جنين مي‌تواند با تنظيم دماي تانك زنده بماند. امكان‌بقاي تخم ماهي بعد از تزريقDNA بالاست و حدود35 تا 80 درصد ميباشد و ايجاد ماهي‌ترانس‌ژنيك درصد احتمالي حدود 10 تا 70 درصد دارد .بسياري از مطالعات اوليه روي‌ماهيهاي ترانسژنيك، بر روي آزمايشات انتقال ژن هورمون رشد استوار است .
ژن درماني
ژن درماني اصلاح يك اشتباه متابوليسمي مادرزادي با وارد كردن يك ژن طبيعي در فرد مبتلامي‌باشد. البته در مورد جانوران اشتياق زيادي براي زنده نگاه داشتن مبتلايان به بيماريهاي شديد وسخت ژنتيكي وجود ندارد.
اخيراإ روش انتقال ژنها در داخل سلول نطفه‌اي موش به منظور رفع يك نقص ژنتيكي موردتجربه قرار گرفته است. در اين تجربه ملكولهايDNA را كه شامل رديف كددار براي سنتز پروتئين‌آزاد كنندهِ گونادوتروپين(Ghrh)هستند، بداخل هسته تخمك بارور موشهائي كه مبتلا به كم‌كاري موروثي غدد جنسي بودند تزريق نمودند. ژن تزريق شده در هيپوتالاموس تعدادي از موشهاي‌توليد شده، فعال گرديد و رمز خود را در راه سنتز هورمون نامبرده بيان داشت. بعلاوه فعاليت ژن‌بطور طبيعي تحت اثر سيستم تنظيم كننده قرار گرفته و حيوان از هر لحاظ طبيعي بوده است. از اين‌گذشته در نسلهاي بعدي حيوان نيز اثري دال بر كمبودGhrh مشاهده نشده است
تشخيص بيمارهاي دامي
روشهاي معمول تشخيص بيماريها در آزمايشهاي از جمله آزمايشات سرولوژي و تزريق عوامل بيماري‌زا به حيوان خطرناك و كند است. در روشهاي تشخيص با كشت بافت، بافت آلوده‌حاوي عوامل بيماري‌زا، توليد آنتي‌ژن نموده و سپس با تست آنتي‌بادي شناسائي مي‌شوند. عيب اين‌روش اين است كه بعضي از ميكروبها دير رشد هستند و كشت حدود 1-3 ماه طول مي‌كشد .
روش ديگر تشخيص بيماري نمونه‌گيري از خون و بررسي آنتي‌بادي است كه بدن در مقابل آنتي‌ژنها توليد نموده است. عيب اين روش هم اينست كه بيماري بايد تا مرحلهِ خاصي پيشرفت‌نمايد. از جديدترين روشهاي تشخيص، استفاده از واكنش زنجيره پلي‌مراز(PCR)براي تعيينDNA ميكروارگانيزمهاي پاتوژن است و اين تشخيص بر خلاف روشهاي معمول چند روز بيشترطول نمي‌كشد و به محصولات بيولوژيكي ديگر نيز نياز ندارد .
انتخاب براساس نشانگرها
متخصصان اصلاح نژاد بيشتر روي تنوع صفات كمي مي‌انديشند و سعي مي‌نمايند با توسط روشهاي آماري از همهِ اط‌لاعات در برنامه‌هاي انتخاب استفاده نمايند. اين روشها از سال1950 باپايه‌گذاري متدهاي بيومتري پيچيده‌تر همراه شد .ژنتيك كمي تنها اثر تجمعي ژنهايي را كه باعث ايجاد تفاوت بين افراد مي‌شوند مورد توجه قرار مي‌دهد و فرض اصلي آن تفكيك همزمان بسياري از ژنهاي كوچك اثر ميباشد. اين موضوع‌مورد ترديد است كه همه ژنهاي موِثر بر صفات كمي، كوچك اثر باشند و ممكن است بعضي ژنهاسهم عمده‌اي در تنوع ژنتيكي داشته باشند.
براي توضيح بيشتر تفاوت عملكرد ژنها بايدخصوصيات ژنها به تنهائي نيز بررسي شود . روشهاي آماري مناسب جهت شناسائي حيوانات‌داراي ارزش اصلاحي مطلوب توسعه يافته است كه اساس آن حذف هر چه بيشتر عوامل محيطي واستفاده از اط‌لاعات حاصل از عملكرد خود حيوان و خويشاوندان آن جهت انتخاب و تخمين آثارافزايشي همه جايگاههاي موِثر بر صفت است. انتخاب براساس فنوتيپ به دليل آثاري كه عوامل‌محيطي روي صفت اندازه‌گيري شده دارند و نيز توارث صفات چند ژني، اثر متقابل بين ژنها دريك لوكوس (غلبه) و بين لوكوسهاي مختلف (اپيستازي) با كاهش سودمندي روبروست . درحال حاضر كاربرد تكنيك آماري همچونBLUP (7)، امكان جدا كردن آثار محيطي از ژنتيكي رافراهم و در برنامه‌هاي اصلاحي بسيار سودمند واقع شده‌اند. ولي اين روشها ژنوتيپ يك فردراناشناخته باقي مي‌گذارند و به صورت يك جعبهِ سياه به آن مي‌نگرند و مضراتي‌همچون كاهش واريانس ژنتيكي، تثبيت الل‌هاي كشنده و همخوني را ممكن است بدنبال داشته‌باشد. چرا كه در روشهاي ژنتيك كمي اط‌لاعات ژنوتيپي افراد بطور دقيق قابل ارزيابي‌نمي‌باشد بلكه برآوردي از آن از طريق فنوتيپ و خويشاوندان امكانپذير است.
شناخت ملكولي ژنهائي كه بزرگ اثر هستند ممكن است ديدگاه جديدي براي بهبود ژنتيكي فراهم كند . علم ژنتيك ملكولي در اصلاح نژاد مي‌كوشد با پرده‌برداري از سيما و ساختار ژنها،نقش دقيق آنها را در توليد حيوان شناسائي و چگونگي تغييراتشان را در سطح مولكولي بررسي نمايد.
شناسائي طبيعت كنترل صفات، نه تنها دستاوردهاي علمي عمده‌اي را به همراه داشته بلكه برنامه‌هاي اصلاحي را به يك بازده مناسب هدايت خواهد نمود كه اين ديدگاه به عنوان انتخاب به‌كمك نشانگر(8) مشهور است. ژنتيك ملكولي و بيوشيمي شكاف و نقايص ژنتيك كمي راپر كرده و درك ما را از علل تغييرات كمي در سطح ژن بالا برده است.
در برنامه‌هاي اصلاح نژاد، ماركر يا نشانگر مولكولي عبارتست از تفاوت در توالي نوكلئوتيدهايDNA كه اين تفاوت داراي توارث مندلي است اين قطعه ويژه متعلق به ژن يا ژنهائي‌است كه بطور معني‌داري در تنوع بين حيوانات سهيم هستند و در نتيجه ممكن است بين قطعه‌ويژه‌اي كه نتاج از والدين دريافت مي‌نمايند و عملكرد نتاج يك ارتباط مشاهده شود در نتيجه‌مي‌توان نتاج را براساس قطعه كروموزومي كه از والدين دريافت كرده‌اند انتخاب كرد ..
بنابراين خود نشانگر معمولا روي عملكرد حيوان بي‌تاءثير است ولي با يك ژن تاءثيرگذارروي عملكرد حيوان يا توالي مجاور متصل بهQTL آن را ارزشمند مي‌كند. ما با استفاده از نشانگرژنتيكي مستقيماإ روي تنوع ژنتيكي نگرش داشته و با شناسائي تنوع در سطحDNA قادر خواهيم بودتفاوت صحيح ژنتيكي دو فرد را بررسي كنيم.
روش مناسب تركيب اط‌لاعات حاصل از نشانگرهاي ژنتيكي با روشهاي آماري ميباشد
باعث افزايش دقت و كاهش فاصلهِ نسل و نهايتاإ افزايش پاسخ به انتخاب مي‌گردد مزيت انتخاب به كمك نشانگر در يك صفت نسبت به روشهاي انتخاب براساس فنوتيپ بستگي به وراثت‌پذيري صفت دارد. انتخاب براساس نشانگر در موارد زير مفيد است:
- وراثت پذيري صفت كم باشد
- صفت محدود به جنس
- صفت در ابتداي زندگي باشد
- اط‌لاعات از والدين جمعيت حاضر وجود نداشته باشد.
- صفات لاشه يا صفاتي كه اندازه‌گيري آن مشكل و پرهزينه است
عيب انتخاب براساس نشانگر فقط در احتمال نوتركيبي است كه سودمندي آن را كاهش مي‌دهد. از سه راه كلي اط‌لاعات مستقيم بدست آمده از سطح ژنها در برنامه‌هاي اصلاحي موِثراست:
- نشانگرها مي‌توانند فاصله نسلي را كاهش دهند و اجازه دهند كه انتخاب در مراحل زودتري اززندگي صورت گيرد
- دقت انتخاب را با فراهم كردن اط‌لاعات بيشتر براي تخمين افزايش مي دهد.
- نشانگر شدت انتخاب را افزايش داده و اجازه انتخاب كانديدهاي اصلي را از ميان تعداد زيادي‌كانديدا براي انتخاب فراهم مي‌كند.
