مقاله مروری بر روش های بهنژادی مدرن گل و گیاهان زینتی

بخشی از مقاله

مروري بر روش هاي بهنژادي مدرن گل و گياهان زينتي

چکيده
روش هاي بهنژادي مدرن ابداع شده اند تا نياز به ايجاد تنوع در گل و گباهان زينتي که صنعتي جهاني است را برطرف سازند. اين روش ها از طرفي طول دوره اصلاحي را به طور قابل توجهي کاهش مي دهند و از طرف ديگر مي توانند در بهنژادي گياهاني که با روش هاي سنتي اصلاح آنها امکان پذير نيست نقش مؤثر داشته باشند. ايجاد تغييرات ژنتيکي براي بهبود کيفيت در هر برنامه اصلاحي لازم و ضروري است . استفاده از جهش هاي طبيعي و القايي در بهبود منابع ژني بسيار مؤثر بوده و بطور موفقيت آميزي به توسعة ارقام اصلاح شده و جديد گياهان زينتي کمک نموده است . ايجاد گياهان هاپلوئيد به طور قابل ملاحظه اي زمان لازم جهت توليد رگه هاي خويش آميخته براي بهنژادي دورگه هاي نسل اول را کوتاه نموده و از طرف پلي ديگر انتخاب صفات مغلوب را تسهيل مي سازند. گياهان پلي پلوئيد هم به صورت منفرد و هم در جمعيت ها در مقايسه با والدين ديپلوئيد خود معمولاً داراي سطح بالايي از هتروزيگوستي بوده و پلي فيلتيک(polyphyletic) مي باشند. گياهان هاپلوئيد، دابل هاپلوئيد و پلي پلوئيد منابع جديد ژرم پلاسم بوده که مي توانند به صورت ارقام جديد معرفي گردند و يا اينکه در برنامه هاي بهنژادي مورد استفاده قرار گيرند. با دستيابي به تکنيکهاي نوين نظير مهندسي ژنتيک مي توان با تغييرات جزئي در ساختار ژنتيکي گياه و حفظ ساير صفات مطلوب آن، ضمن ايجاد تغييرات لازم به منظور دستيابي به صفات مورد نظر مصرف کننده در وقت و هزينه بهنژادگران به ميزان قابل ملاحظه اي صرفه جويي نمود. مهندسي ژنتيک صفات جديد در يک رقم به قابليت باززايي از گياه تراريخته بستگي دارد که خوشبختانه در حال حاضر اين تکنيک به طور قابل توجهي خصوصاً در گياهان زينتي رو به گسترش است . مقاله حاضر مروري بر پيشرفتهاي اخير در اصلاح نوين گياهان زينتي از جمله ايجاد تنوعات سوماکلونالي ، جهش هاي القايي ، توليد گياهان پلي پلوئيد و هاپلوئيد و مهندسي ژنتيک به منظور ايجاد تنوع در رنگ ، افزايش ماندگاري و عطر گل و نيز افزايش مقاومت گياه در برابر بيماري ها و آفات مي باشد.
مقدمه :
گردش مالی صنعت گل شاخه بریده در جهـان سـالانه حـدود 27 میلیارد دلار تخمین زده شـده (Chandler, 2003) کـه رونـق ایـن صنعت منحصراً با ورود ارقام جدید محقق شده اسـت. مهمتـرین تولید کنندگان جهانی گیاهان زینتی به ترتیب هلنـد (%33)، ژاپـن (%24)، ایتالیـا (%11)، آمریکــا (%12) و تایلنـد (%10) هســتند در حالیکه سایر کشور ها حدود %14 از گیاهان زینتی جهانی را تولید می کنند. عمده ترین صـادر کننـدگان جهـانی گیاهـان زینتـی بـه ترتیب هلند (%59)، ایتالیا (%16)، کلمبیا (%10)، فلسـطین اشـغالی (%4) و اسپانیا (%2) بوده، و سهم صادرات سایر کشور هاي جهان %18 مـی باشـد .(Rajagopalan , 2000 ; Schiva 2000) تـا کنـون 156 نوع گیاه زینتی از طریـق کشـت بافـت در آزمایشـگاه هـاي مختلف دنیا تولید و تکثیر شـده انـد .(Rout et al., 2006) بطـور کلی کشت سلول، بافت و اندام هاي گیاهی براي سه هدف عمـده انجام می گیرد: الف) سـالم سـازي و تکثیـر در سـطح انبـوه، ب) نگهداري ژرم پلاسم و ج) تهیه مواد آزمایشـی مـورد نیـاز جهـت برنامه هاي اصلاحی. صفات اصـلاحی مـورد توجـه در گیاهـان زینتی به دو دسته تقسیم می شوند: صـفات مـورد توجـه مصـرف کننده و صفات مورد توجـه پـرورش دهنـده. هـر دو دسـته ایـن صفات از اهداف برنامه هاي اصلاحی سنتی بوده و هستند، لیکن در برنامه هاي اصلاحی مدرن به دلیل هزینه بر بودن روش ها، بـه صفات مورد توجه مصرف کنندگان بیشـتر پرداختـه شـده اسـت. تنوع در صفاتی همچون رنگ، فرم و عطر گل از مهمترین اهـداف اصـلاحی گیاهـان زینتـی مـی باشـند. مقالـه حاضـر مـروري بـر پیشرفتهاي اخیر در اصلاح نـوین گیاهـان زینتـی از جملـه ایجـاد تنوعات سوماکلونالی، جهش هاي القایی، تولید گیاهان پلی پلوئید و هاپلوئید و مهندسی ژنتیـک بـه منظـور ایجـاد تنـوع در رنـگ، افزایش ماندگاري و عطر گل و نیز افزایش مقاومت گیاه در برابـر بیماري ها و آفات است.

تنوعات سوماکلونالی و جهش هاي القایی

تغییرات ژنتیکی از جمله تغییر در توالی DNA (مانند جهش هـاي نقطـه اي و فعـال ســاختن ترانسـپوزون هــا)، تغییـر در ســاختار کروموزوم ها (مانند جابجایی) و تغییـر در تعـداد کرومـوزوم هـا (مانند پلی پلوئیدي و آنوپلوئیدي) می توانند تنوعات سوماکلونالی را ایجاد نمایند. اگر چه گروه هاي تحقیقاتی زیادي به دنبال نظریه Larkin و (1981) Scowcroft مبنـــی بـــر اینکـــه تنوعـــات سوماکلونالی می توانند یکی از منابع ایجاد تنوع در اصلاح گیاهان باشند، برنامـه هـاي اصـلاحی را شـروع نمـوده و گیاهـان زینتـی جدیدي را با استفاده از این روش بو جود آورده اند، لیکن ایجـاد تنوعات سوماکلونالی هنوز به عنوان روش قابل اطمینان اصلاحی، که بتوان از آن به طور گسترده اسـتفاده نمـود، مـورد توجـه قـرار نگرفته است. از جمله گیاهان زینتـی کـه پـس از ایجـاد تنوعـات سوماکلونالی به عنوان گیاهان زینتی جدید معرفـی شـده انـد مـی توان به دو گل داوودي تولید شده توسط Khalid و همکـاران در سال 1989 اشاره کرد. بطور کلـی بیشـترین تنوعـات ژنتیکـی کـه امروزه در گیاهان مشاهده می شود حاصل تغییرات خود به خودي است که به مرور زمان در ژرم پلاسم هـاي مختلـف ایجـاد شـده است.

دورگ گیري بین و درون گونـه اي در گیاهـان بـه بـروز صـفات مطلوب کمک نموده است، اما ژرم پلاسم هاي موجود هنوز نمـی توانند جوابگوي نیاز مصرف کنندگان تنوع طلب، باشند. بنـابراین بهنژادگران و محققان همواره در صدد استفاده از منابع دیگر ایجاد تنوع هستند. از آنجا که جهش هاي خود به خودي به ندرت اتفاق می افتند، تولید جهش یافته هاي القـایی راه مناسـبی بـراي ایجـاد تنوع در گیاهان محسوب می شود. کشت درون شیشـه اي امکـان استفاده از تکنیک موتاسیون را بـه خـوبی بـراي گیاهـانی کـه از طریق جنسی و غیر جنسی تکثیر مـی شـوند فـراهم آورده اسـت. طبق گزارش آژانس بین المللی انـرژي اتمـی از میـان 2300 رقـم جهش یافته اي که تاکنون بطور رسـمی در سرتاسـر دنیـا عرضـه شده اند، 625 رقـم بـه گیاهـان زینتـی تعلـق دارد http://www-) .(mvd.iaea.org برخی از مهمترین گیاهان زینتی کـه بـه صـورت گل بریدنی و یا گیاه گلدانی براي اصلاح از طریـق جهـش مـورد استفاده قرار گرفته اند عبارتنـد از: رز، داوودي، میخـک، ارکیـده، شمعدانی و اختر .(Jain 2006) در رزها، ایجاد جهش با استفاده از ماده شیمیایی اتیل متان سولفونات توسط Kaicker در سال 1982 و با استفاده از اشعه X توسط Walther و Sauer در سـال 1986 انجام گرفته است. در داوودي ایجاد تنـوع هـم بـا موتانـت هـاي شیمیایی وهم با موتانتهاي فیزیکی انجام گرفته اسـت (Huttema .et al., 1986) ایجاد جهش سـوماتیکی جهـت تغییـر رنـگ گـل داوودي با استفاده از اشعه گاما در سـال 2000 توسـط Mandal و همکاران گزارش گردید. Sun و همکاران در سال 2007 با تلفیـق کردن کشت درون شیشه اي با تابش پرتوهاي الکترون، یک روش جدید اصلاحی براي گل داوودي از طریق ایجـاد جهـش توسـعه دادند. Lu و همکاران (2007) نیز نشان دادند که استفاده از اشـعه گاما (با دوز 10 گري) براي ایجاد جهش و زنده مـانی در نـرگس چینی رقم 'Jinzhanyantai' موفقیت آمیز بوده است .

هاپلوئیدي و پلی پلوئیدي

در اصلاح جمعیت هاي دگر گرده افشان به منظور داشتن قابلیـت ترکیب، استفاده از خود گشنی می تواند بـازدهی گـزینش در هـر نسل را افزایش دهـد، امـا انجـام خـود گشـنی مـدت زمـان دوره اصلاحی را طولانی می کند. با تولیـد لایـن هـاي دابـل هاپلوئیـد هموزیگوت، طول دوره اصلاحی به طور قابل توجهی کاهش مـی یابد. از طرف دیگر، کشت بساك می تواند نوترکیبی هاي حاصـل از تقسیمات میوزي را بطور همزمان تثبیـت کنـد .(Bhojwani et

براي تولید گیاهان عاري از ویروس عـلاوه بـر کشـت مریسـتم، مـی تـوان از کشـت بسـاك نیـز اسـتفاده کـرد. Han و همکاران لیلیوم هاي هاپلوئید عاري از ویـروس را در سـال 1997 از طریق کشت بساك تولید نمودند. با توجه به اینکه در اکثر تـک لپه اي ها و تعدادي از دو لپه اي ها، باززایی گیاه از سلول هـا یـا پروتوپلاست هاي تراریخته مشکل است، در چنـین مـواردي مـی توان از تکنیک نجات جنین نارس حاصل از میکروسـپور اسـتفاده کـرد. Bhojwani و همکـاران (2001) گـزارش کردنـد بـه دلیـل هاپلوئید بودن جنین هاي حاصل از میکروسپور، گیاهـان حاصـله بـه راحتـی موفقیـت انتقـال ژن را نشـان مـی دهنـد. شناسـایی و جداسازي جهش یافتـه هـاي خـود بخـودي مغلـوب در مرحلـه هاپلوئیدي و به دست آوردن سریع ژن جهـش یافتـه بـه صـورت هموزیگوت، از دیگر مزایـاي ویـژه ایجـاد لاینهـاي هاپلوئیـد در گیاهـان عـالی مـی باشـد. اسـتفاده از مـواد جهـش زا در مرحلـه میکروسپور، که ساختاري تـک سـلولی دارد، مـی توانـد از تولیـد گیاهان بافـت ناهمسـان جلـوگیري کنـد (Sopory and Munshi, .1996) از خصوصیات دیگر استفاده از تکنیـک هاپلوئیـد سـازي، تظاهر ژن هاي جهش یافته مغلوب در تنوعات گامتوکلونـالی مـی باشد که در بسیاري از غلات گزارش شده ، اما تا کنون در گیاهان زینتی گزارش نگردیده است. از آنجا که گیاهـان دابـل هاپلوئیـد، جمعیتی پایدار، بدون ریسک هتروزیگـوتی، قابـل تکـرار در هـر زمان و قابل استفاده در آزمایشگاه هاي مختلف هستند، مـی تـوان از آنها در ترسیم نقشه هاي لینکاژي نیز اسـتفاده کـرد. Meynet و همکاران در سال 1994 بـا اسـتفاده از پـارتنوژنز از طریـق گـرده افشانی و تلقیح با گرده هاي پرتو دهی شده عقیم و سپس استفاده از تکنیک نجات جنین، موفق به تولید یک رز دي هاپلوئید شـدند که قادر به تولید گل و گرده بـارور بـود. بنـابراین تولیـد گیاهـان هاپلوئید و دي هاپلوئید به تنهایی می تواند به عنوان یکی از منابع ایجاد تنوع در برنامه هاي اصـلاحی گـل و گیاهـان زینتـی مـورد استفاده قرار گیرد.

پلیپلوئیدي به طور کلی به دو گروه اتوپلیپلوئیدي و آلوپلیپلوئیدي تقسیم میشود. یک گیاه اتوتتراپلوئید داراي چهار نسخه یکسان از یک سري کروموزومی میباشد. در مقابل، یک گیاه آلوتتراپلوئید (آمفیدیپلوئید) دو سري کروموزومی دیپلوئید، بدست آمده از گونههاي مجزا را داراست. این تمایز در اتوپلی پلوئیدي و آلوپلیپلوئیدي، نتایج ژنتیکی با ارزشی را به همراه دارد. به طور کلی اتوپلیپلوئیدي هیچ نوع آلل جدیدي نداشته و برتري ژنتیکی زیادي نسبت به اجداد دیپلوئیدش ندارد. به عنوان مثال باروري اتوتتراپلوئیدها اغلب به خاطر کروموزومهاي چندتایی وابسته به میوز I کاهش مییابد. در گیاه آلوتتراپلوئید با ترکیب دو گونه متفاوت از نظر ژنتیکی، کروموزومها در میوز I بطور مرتب به صورت دوتایی جفت میشوند. در نتیجه قدرت دورگه و باروري بالاي آلوتتراپلوئیدها نسبت به اجداد دیپلوئیدشان، به آنها امکان رقابت با اجدادشان را میدهد .(Byrne and Carne, 2003) موفقیت القاي پلی پلوئیدي به ژنوتیپ و سطح پلوئیدي گیاه اولیه بستگی دارد. Khosravi و همکاران (2008) به منظور افزایش سطح پلوئیدي رزها و ایجاد اتوپلی پلوئیدي در آنها از سه ماده اورایزالین، تریفلورالین و آمیپروفوزمتیل استفاده کردند و نشان دادند که میزان موفقیت در دو برابر کردن تعداد کروموزوم رزهاي دیپلوئید، تریپلوئید و تتراپلوئید در شرایط یکسان به ترتیب %60، %6/3 و %0 بود و تفاوت معنی داري در کارایی مواد افزاینده سطح پلوئیدي وجود نداشت.

پلی پلوئیدي معمولاً منجر به ایجاد گیاهان درشت تر، با برگ هاي ضخیم و تیرهتر می شود. Kermani و همکاران در سال 2003 نشان دادند که گل هاي رز با کروموزومهاي دو برابر شده تعداد گلبرگ هاي بیشتر، تعداد گرده زنده بیشتر، طول ساقه بلندتر و نسبت عرض به طول بیشتري در برگچه ها داشتند. همچنین (2001) Kermani نشان داد که برگهاي گیاهانی که کروموزومهاي آنها دو برابر شده بود نسبت به بیماري قارچی لکه سیاه رز از لحاظ مقاومت، تفاوت معنیداري با گیاهان مادري داشتند. در بعضی از گیاهان میزان مقاومت افزایش یافت و در بعضی دیگر کاهش داشت. وي این تفاوتها را به صفات مرفولوژیکی همچون ضخامت برگ نسبت داد و بیان کرد که اگرچه گیاهانی که داراي کروموزوم دو برابر شده هستند، داراي ژنهاي جدید نمی باشند اما با افزایش سطح پلوئیدي قدرت گیاهان هتروزیگوت می تواند به صورت افزایش مقاومت به بیماریها بیان گردد. Nimura و همکاران نیز در سال 2006 نشان دادند که آمفی دیپلوئید هاي حاصل از دو برابر شدن کروموزومهاي گل میخک داراي گل هایی بزرگتر و دانه هاي گرده و بذر با باروري بیشتر بودند. Fukui و (2007) Yokota نشان دادند که رز با سطح پلوئیدي دو برابر شده، داراي سلولهاي محافظ روزنه بزرگتر و گلهاي درشت تر بودند.

مهندسی ژنتیک

مهندسـی صـفات جدیـد در گیاهـان بـه امکـان بـاززایی از گیـاه تراریخته بستگی دارد که خوشبختانه در حال حاضر این تکنیک به طور قابل توجهی خصوصا در گیاهان زینتی رو به گسترش است. بیان ژن ها در گونه هاي مختلف گیاهی همیشه قابـل پـیش بینـی نیست و نیاز به آزمـایش و خطـا دارد تـا بهنژادگـر را بـه صـفت تجاري پایدار در گیاه مورد نظر برسـاند. دسـتکاري در مسـیرهاي متابولیکی معمولاً نیازمند انتقال ژن هاي چند گانه است کـه خـود می تواند مشکل ساز باشد و نشـانگر پیچیـدگی بـرهمکنش هـاي درون و بین سلولها در سطح ژن و محصول ژن می باشد (Tanaka .et al., 2005) در برنامه هاي مهندسی ژنتیک اولـین قـدم داشـتن اطلاعات در مورد کاربرد ژن هاي خاص است. از جمله موفقیـت هاي حاصل از به کار گیري این تکنیک در اصلاح گیاهان زینتـی، می توان به ایجاد رنگ هاي ویژه در گل هاي زینتـی اشـاره کـرد. صفات دیگري که توجه خاصی را به خود جلب نموده اند شـامل ساختار و شکل گل و گیاه، عطر گل، ماندگاري پس از برداشت و مقاومت به بیماري ها و آفات می باشد.

- رنگ گل

رنگ گل تحت تاثیر سه نوع رنگدانه، فلاونوئید ها، کاروتنوئیـدها بتالائین ها است که از این میان فلاونوئیدها معمـولترین بـوده و طیف رنگی زیادي از زرد تا قرمز تـا آبـی را ایجـاد مـی کننـد. از فلاونوئیدهاي مهم در ایجاد رنگ گل، آنتوسیانین ها هستند که در سـلولهاي اپیـدرمی گلبـرگ یافـت مـی شـوند. کاروتنوئیـدها در پلاستید سلولی قرار گرفته و رنگ هاي زرد را ایجاد می کنند. این رنگدانه ها همراه با آنتوسیانین ها رنگهاي برنز، قهوه اي و نارنجی یا قرمز را در گلبرگ موجب می شوند. بتـالائین هـا بـه نـدرت یافت شده و رنگ هاي شیري، زرد، نارنجی و بنفش را ایجاد مـی نمایند. تنوع در رنگ گل با استفاده از مهندسی ژنتیـک بـر ایجـاد تغییر در مسیرهاي متابولیکی تولید فلاونوئیدها متمرکز شده است. ژنهاي مسئول تولید آنزیم هاي مسیر ذکر شده درگیاهان زیادي از جمله گیاهان زینتی کلون شده اند و در مراکز اطلاعاتی عمـومی
موجود می باشند. تغییر در آنتوسیانینهاي اولیه-(anthocyanidin 3 O- glucosides) در مسیر متابولیکی تولید فلاونوئیدها با تغییر در تولید قندها، اسیدها و متیل هاي مربوطه انجام پذیر است اما رنگ نهایی قابل مشاهده در گل معمولا متـاثر از چنـد عامـل از جملـه ملکول هاي آنتوسیانین اولیه، رنگدانه هاي دیگر و pH واکوئل می باشــد(.(Tanaka et al., 2005 هیبریــدهاي مختلــف گونــه آناغالیس (Anagallis monelli) توسـط Quintana و همکـاران در سال 2007 بررسی شدند، آنها نشان دادند که pH واکوئـل سـلول هاي سطح برگ بر اساس رنگ هیبریدها متفاوت بود.

ایجاد تنوع رنگ در انواع گیاهان زینتی از طریق روشـهاي دورگ گیري و ایجاد جهش انجام گرفته است و بعضی از ایـن روش هـا تبدیل به مدل هاي آزمایشـی شـده انـد. امـا اسـتفاده ار مهندسـی ژنتیک براي تغییر رنگ گل از آن جهت حـائز اهمیـت اسـت کـه سایر صفات مطلوب گیاه، که ممکن است سالها براي ایجـاد آنهـا زحمت کشیده شده باشد، تغییر نکرده و فقط رنگ گل تغییر مـی کند. این روش به ویژه در زمانی که گیاه والد عقیم بوده و یا یـک گل با طرحهاي رنگی جدید ایجاد شده باشد، بـه عنـوان بهتـرین مکمل روش هاي اصلاح سنتی به شمار می رود.