مقاله تولید گیاهان تراریخته به منظور ایجاد مقاومت به تنش خشکی در گیاهان

بخشی از مقاله

چکیده

Water stress یا تنش طولانی آب موجب کاهش اندازه گیاه می شود. مهمترین اثرات کمبود آب در بافت هاي مریتسمی بر روي فعالیت هاي سازندگی از قبیل ساختن Dna و Rna و مواد جدار سلول می باشد. گیاهان زراعی ترانسژنیک از جمله محصولات بیوتکنولوژي نوین هستند که پیشبینی میشود انقلاب عظیمی در کشاورزي بهوجود می آورندل گیاهان تراریخته حاوي ژنهاي مقاوم به خشکی بعنوان یکی از ابزارهاي مهم و موثر در ایجاد مقاومت به کمبود آب به شمار می روند.

این گیاهان علاوه بر کنترل موثر خشکی، مزایا و اثرات بالقوه اي در کشاورزي از جمله افزایش درآمد زارعین، افزایش عملکرد، در شرایط تنشهاي محیطی را دارند، و می توانند روز به روز بر وسعت کشت خود حتی در شرایط خشکی بیافزایند. ایمنی گیاهان حاوي ژنهاي ژنهاي مقاوم به خشکی توسط سازمان هاي مهمی همچون سازمان بهداشت جهانی - WHO - به اثبات رسیده است. آنچه در مورد این گیاهان حایز اهمیت است، اینکه اکثریت آنها داراي ژنهاي مقاوم Areb - ، Mpk، - Jerf به خشکی بوده اند، ولی به دلایل محدودیتهاي ژنتیکی بیان نمی شوند، تا بتوانند با تولید پروتئینهاي لازم ایجاد مقاومت در برابر خشکی را نشان دهند.  گذشته از اینکه بایستی به مراحل رشد گیاه نسبت به کم آبی نیز توجه نمود. راهبردهاي مختلفی در جهت مدیریت تلفیقی مقاومت به خشکی، از جمله روش تغییر در میزان هورمونهاي گیاهی مانند اسیدآبسیزیک توسعه یافته است.

مقدمه

جهان به طور روز افزون به کشاورزي به ویژه تولید مواد غذایی وابسته می گردد. پیش بینی نزدیک شدن جمعیت کره زمین به مرز 10میلیارد نفر تا نیمه قرن حاضر، نیاز فوق را روشن تر می سازد. افزایش تولیدات گیاهی از طریق گسترش سطح زیر کشت و یا افزایش تولید در واحد سطح امکان پذیر می باشد و نظر به محدودیت اراضی قابل کشت و منابع آبی قابل استفاده، توجه به امر پژوهش در اصلاح و توسعه گیاهان برتر از نظر راندمان کمی و کیفی و روشهاي مدیریتی مطلوب در جهت حفظ و ایجاد تعادل بین تولید و نیاز مواد غذایی، از اهمیت ویژه اي برخوردار است. میزان تولید گیاهان تحت تاثیر روابط پیچیده بین گیاه و محیط قرار می گیرد.

خشکی مهم ترین عامل محدود کننده رشد و عملکرد گیاهان ]٢[ و ]٨.[  یکی از مهمترین راههاي مقابله با تنش هاي محیطی، تجمع ترکیبات پروتئینی درون سلولهاي آنها می باشد. تنش خشکی مانع از تظاهر کامل پتانسیل ژنتیکی گیاهان زراعی می شود و از اینرو موجب کاهش تولیدات کشاورزي می گردد. در مقاومت به خشکی سه مکانیزم دخالت دارند که عبارتند از فرار از خشکی، اجتناب از خشکی و تحمل به خشکی. صفات مختلف مورفولوژیکی، فیزیولوژیکی و بیوشیمیایی باعث ایجاد مقاومت به خشکی می شوند. نحوه توارث - تک ژنی و چند ژنی بودن - و نوع عمل ژن - افزایشی و غیرافزایشی بودن - در صفات مورفولوژیکی و فیزیولوژیکی متفاوت است.

با این حال، ژنهاي مسؤل بیوسنتز انواع مواد محلول سازگار - compatible solutes - نیز شناسایی و از موجودات مختلفی همچون گیاهان، مخمر، موش و انسان همسانه سازي - کلون - شده اند. روشهاي اصلاحی مختلفی براي مقاومت به خشکی وجود دارند که هر یک داراي مزایا و معایبی هستند. در هر برنامه اصلاحی وجود روشهاي کارآمد براي شناسایی و انتخاب ژنوتیپ هاي مناسب ضروري می باشد. شناسایی و انتقال ژنهاي مسئول بیوسنتز متابولیت هاي متعددي همچون پرولین، ترهالوز، و پلی آمینها از موجودات مختلف به گیاهان زراعی از طریق مهندسی ژنتیک بطور موفقیت آمیزي صورت گرفته است.

به عنوان مثال، ژن hva1 جو، که مسئول سنتز پروتئین هاي فراوان در اواخر دوره جنین زایی می باشد از طریق روش انتقال تصادفی - shotgun - به برنج منتقل شده و منجر به تولید برنج تراریخت گردیده است. فقدان یک رهیافت تلفیقی و روشهاي دقیق غربال کردن، دانش کم درباره اساس ژنتیکی مقاومت به خشکی، همبستگی منفی بین مقاومت به خشکی و بعضی از دیگر صفات، از عوامل اصلی محدود کننده اصلاح ژنتیکی مقاومت به خشکی می باشند.

مقاومت به خشکی صفت پیچیده اي است که بروز آن بستگی به عمل و عکس العمل میان صفات مختلف مورفولوژیکی - زودرسی، کاهش سطح برگ، لوله اي شدن برگ، میزان موم، سیستم ریشه اي کارآمد، ریشک دار بودن، پایداري عملکرد و کاهش پنجه زنی - ، فیزیولوژیکی - کاهش تعرق، افزایش راندمان مصرف آب، بسته شدن روزنه ها و تنظیم اسمزي - ، و بیوشیمیایی - تجمع پرولین، پلی آمین، ترهالوز و غیره، افزایش فعالیت آنزیم نیترات ردوکتاز و افزایش ذخیره سازي کربوهیدراتها را - دارد. مکانیزم هاي ژنتیکی کنترل کننده این صفات چندان شناخته شده نیستند. شناسایی ژنهاي کنترل کننده صفات مورفولوژیکی و فیزیولوژیکی و محل آنها در روي کروموزومها امکان پذیر بوده و نحوه توارث آنها و ماهیت عمل ژن گزارش گردیده است.

توارث چندژنی خصوصیات ریشه بوسیله Ekanayake و همکاران گزارش شده است. طول و تراکم ریشه ها بوسیله آللهاي غالب و ضخیم بودن راس ریشه بوسیله آللهاي مغلوب کنترل می شود. با این وجود، لوله اي شدن برگ و تنظیم اسمزي، وراثت تک ژنی نشان داده اند. ]١٢[ ژنی مقاومت به خشکی بنام Drt1 را در برنج گزارش شده که با ژنهاي ارتفاع بوته، رنگدانه و ریشک دار بودن پیوستگی دارد و داراي اثر پلیوتروپی بر روي سیستم ریشه را دارا بوده. در لوبیا چشم بلبلی نیز گزارش شده است که مقاومت به خشکی بوسیله یک ژن غالب کنترل می شود.

مواد و روش

از روشهاي دست ورزي ژنتیکی در گیاهان زراعی براي شناسایی ژنهاي مقاومت به خشکی و انتقال آنها استفاده شده است. اساسا با استفاده از دو روش یعنی روش هدفمند و روش تصادفی می توان گیاهان تراریختی را تولید کرد که داراي مقاومت به خشکی هستند. در روش هدفمند، مسیرهاي متابولیکی که شامل سنتز پلی آمین، کربوهیدرات، پرولین، گلیسین بتایین و ترهالوز می باشند با مقاومت به خشکی درارتباطند. اطلاعات لازم درباره واکنش بیوشیمیایی که براي سنتز این متابولیتها می باشد، ژنهاي مربوطه را از منابع مختلف به گیاهان زراعی انتقال می دهند. روش تصادفی، روشی غیر مستقیم براي بدست آوردن ژن مورد نظر می باشد.

تغییراتی که در فرایند سلول و بیان ژن در اثر تنش خشکی ایجاد می شود مورد تجزیه و تحلیل قرار می گیرد. ژنهایی که تحت تنش خشکی بیان می شوند و هیچ نقش خاصی براي آنها پیدا نشده است شناسایی شده اند. اگرچه این روش از دقت کمی برخوردار بوده و احتمال موفقیت در آن پایین است اما می تواند حتی موقعی که هیچ اطلاعات قبلی درباره ژن یا فراورده ژنی وجود ندارد کارساز باشد.

روش ایجاد گیاهان تراریخته

مهندسی ژنتیک یا انتقال ژن فرآیندي است که طی آن قطعه مشخصی از DNA خارجی که حاوي ژن جدید یا ترکیب جدیدي از ژن ها می باشد، با استفاده از فنون آزمایشگاهی بطور مصنوعی وارد ژنوم یک ارگانیسم می گردد. گونه دریافت کننده ژن جدید را گونه ترانسژنیک یا تراریخته می نامند. مهمترین انواع روشهاي انتفال مستقیم ژن عبارتند از تفنگ ژنی یا بیولیستیک، تکنیک لیپوزوم، الکترو پوریشن، ریز تزریقی، درشت تزریقی و روش شیمیایی شامل استفاده از پلی اتیل گلیکول در انتقال می باشد، و از مهمترین روشهاي غیر مستقیم روش اگروباکتریوم و ا نتقال با ویروس اشاره نمود، اگر بتوان فقط یک سلول گیاه را تغییر داد، می توان با کنترل رشد و تمایز آن سلول در آزمایشگاه، یک گیاه بالغ با خصوصیات جدید تولید کرد.

انتفال مستقیم ژن به کمک تفنگ ژنی یا بیولیستیک، زمانی که یک سلول گیاه تغییر می یابد، می توان با کنترل رشد و تمایز آن سلول درآزمایشگاه، یک گیاه بالغ با خصوصیات جدید تولید نمود. وکتوري که براي انتقال ژن ها به درون سلول هاي گیاهی به کار می رود پلازمیدي است که از باکتري Agrobacterium tumefaciens که باکتري خاکزي و گرم منفی استخراج می شود. در طبیعت، این باکتري گیاهان را آلوده می کند و تومورهایی را به نام گالهاي تاجی در آن ها ایجاد می کند.

تفنگ ژنی قسمتی از روشی است که به آن Biolistic گویند. در این روش تحت شرایط خاص، قطعاتی از DNA یا RNA با دنباله چسبناك را وارد اتم هاي فلزاتی نظیر طلا یا تنگستن می نمایند. کمپلکسی از ذرات حاوي DNA را در خلا شتاب داده و با شتاب بسمت بافت هدف شلیک می کنند. گیاهانی که به این طریق با برخورداري از ژنهاي مشخصی و ویژگی هایی مانند ارزش غذایی بالاتر، افزایش خاصیت انبارداري، مقاومت به خشکی بدست می آید، و آنها را تراریخته می نامند. تاکنون آثار زیان آور و ابعاد مخاطره آمیز محصولات تراریخته و بیوتکنولوژي بطور قطعی از نظر علمی به اثبات نرسیده و دانشمندان این رشته نمی توانند و نباید آثار منفی احتمالی این محصولات را بر محیط زیست و سلامت انسان نادیده بگیرند ]١[ و ]۵[ و ]١١.[

نتیجه

در سالهاي اخیر، انتقال ژنهاي القاء شده در شرایط تنش خشکی که در مسیرهاي بیوشیمیایی مختلفی دخالت دارند، از منابع مختلف به گیاهان حساس به عنوان یکی از روشهاي امیدبخش درآمده است. به عنوان مثال، ژن TPS1 که در مخمر یافت شده است فعالیت آنزیم ترهالوز--6 فسفات سینتتاز را کنترل می کند و در بیوسنتز ترهالوز دخالت دارد. این ژن به توتون منتقل شده است. با اندازه گیري میزان هدررفتن آب از برگهاي جداشده یا با تعیین اثر قطع آبیاري بر روي مرگ و آسیب دیدگی برگ معلوم شده است که گیاهان تراریخت داراي مقاومت به خشکی بالایی هستند. ژن دیگري بنام P5CS فعالیت آنزیم پیرولین--5 کربوکسیلات سینتتاز را که در سنتز پرولیندخالت دارد کنترل می کند و تولید بالاي پرولین مقاومت به خشکی را در پی دارد. توتون تراریختی که ِژن P5CSمنتقل شده از باقلا را بیش از حد بیان می کرد مقدار بالایی از آنزیم مذکور را نشان داد و میزان تولید پرولین در آن نسبت به گیاه شاهد 10-18 برابر بیشتر بود.