صفحه اصلی بیوتکنولوژی پزشکی بیوتکنولوژی و اصلاح نباتات

بیوتکنولوژی و اصلاح نباتات

بیوتکنولوژی مفهوم گسترده‌ای است که به استفاده از موجودات زنده و مشتقات حاصل از آنها برای تولید محصولات مفید و سودآور اطلاق می‌شود. این تعریف کلی کلیه فعالیتهای مرتبط با صنایع سرکه، تخمیر خمیر نان، مواد آلی، مواد تولیدی برای کنترل حشرات و اصلاح گیاهان و جانوران و محصولات تولیدی و حیوانات اهلی را در بردارد. در حقیقت علم کشاورزی به تنهایی می‌تواند منشاء تکنولوژی زیستی باشد.

بیوتکنولوژی و اصلاح نباتات

قرن اخیر با افزایش اطلاعات حاصل از ژنتیک و اصلاح نباتات در ما مواجه با بهبود عملکرد گیاه چه از لحاظ کمی چه از لحاظ کیفیت می‌باشیم. هم‌اکنون تکنولوژی جدید DNA نوترکیب اجازه تشخیص‌های و شناسایی‌ ، جداسازی و حتی تغییر ژنهای و محصولات حاصل از آنها را در موجودات زنده به منظور ایجاد واریته‌های تراریخت فراهم می‌کند. این تکنولوژیها مکمل و افزایش‌دهنده دقت روشهای سنتی اصلاحی به منظور افزایش غذا، فیبر و سایر محصولات حاصل از کشاورزی هستند.

کشاورزان در آمریکا، کانادا و آرژانتین و سایر کشورها به سرعت با واریته‌های تراریخت و مهندسی ژنتیک شده آشنا شده‌اند. در بین سالهای ۱۹۹۶ الی ۲۰۰۱، تولیدات جهان محصولات تراریخت مانند سویا، پنبه، ذرت و کانوا، سیر افزایش را داشته و نزدیک به ۱۲۵ میلیون آکروز (۵۰ میلیون هکتار) از سطح زیر کشت را به خود اختصاص داده است.

کشاورزان ایالت کالیفرنیا بالغ بر ۳۵۰ محصول متفاوت را تولید کرده‌اند که ۷۹ تا از این محصولات ملی معرفی گردید. کالیفرنیا همچنین اولین تولید کننده غذاهای تجارتی حاصل از واریته‌های ترانسژنیک می‌باشد، گوجه‌فرنگی calgen,s flouer به طور گسترده در سالهای ۱۹۹۴ در سطح تجارتی مورد کشت قرار گرفت اگر چه سهم قابل توجهی از محصول بازارهای فروش را به به خود اختصاص نداده است.

با این حال بعد از آن فروش جهان محصولات زراعی تراریختی مانند ذرت، سویا و پنبه در مدیترانه و جنوب امریکا، به طور قابل توجهی گسترش یافت. تولیدات قابل توجه تجاری واریته‌های پنبه در کالیفرنیا از سال ۱۹۹۹ در کالیفرنیا آغاز شده و به سرعت، تولیدات این محصولات افزایش یافته است. سایر محصولات تراریخت دیگر در حال گسترش در کالیفرنیا می‌باشد.

بهرحال معرفی محصولات تراریخت هیچ وقت با اطمینان کامل نبوده است و همواره در انجام این تکنیکهای جدید خطرات ناشناخته‌ای وجود دارد که در مقایسه با روشهای سنتی اصلاح نباتات معیارهای غیر قابل پذیرش را برای مصرف آنها ایجاد می‌کند.

این مقاله اساس ژنتیکی اصلاح نباتات و اینکه چگونه روشهای سنتی اصلاح نباتات عمل می‌کند و مقایسه بین روشهای کلاسیک و نوین بیوتکنولوژی در اصلاح نباتات را مورد توصیف و بررسی قرار می‌دهد.

● اساس ژنتیکی اصلاح نباتات:

علم کشاورزی بر مبنای اهلی کردن گیاهان وحشی و ایجاد محصولات منطبق بر نیاز ما عمل می‌کند. بشر در حدود ده هزار سال پیش زمانی که به کاشت و داشت واریته‌های خاصی از گیاهان اقدام نمود، کشاورزی را برای تولید غذا ابداع کرد و لذا گیاهان بوسیله انتخاب و انتقال صفات به نسلهای بعد بهبود یافت. بعنوان مثال اهلی کردن ذرت بوسیله کشاورزان گذشته صورت گرفت.

عمده صفات تغییر یافته مرتبط با اهلی کردن گیاهان بود بعنوان مثال صفات (افزایش در تولید بذر، کاشت آسان، اندازه بزرگتر و میزان محصول برداشت شده و تغییر در شکل ظاهری و کاهش و از بین بردن سوبستراهای و مواد سمی و غیره ) بوسیله تمدن‌های کشاورزی گذشته مانند چین و مصر و مادیان صورت پذیرفت بعلاوه، این محصولات کم‌کم با شرایط آب و هوایی خاص منطقه مورد کاشت تطابق و سازگاری یافتند و بنابراین از لحاظ ژنتیکی، صفاتی همچون کیفیت، مقاومت به استرس و مقاومت به بیماری در عملکرد مناسب را به دنبال خود همراه داشت. گیاهان اهلی شده در کشاورزی بر اساس نتایج حاصل از تغییر ژنتیکی گیاهان وحشی در هزاران سال پیش بوجود آمده‌اند.

مطالعات علمی در مورد ژنتیک در حدود سال ۱۹۰۰ میلادی با فعالیتهای گرگور مندل آغاز شد. ما حالا می‌دانیم که ژنها واحدهای وراثتی هستند که از جنس رشته DNA که در داخل کروموزم موجود در هسته همه سلولهای موجودات زنده است استقرار یافته‌اند، البته بعضی از ویروسها حاوی ژنومی با ترکیب DNA هستند. همه واحدهای ژنتیکی موجود در کروموزم شامل ۴ ترکیب در مولکول DNA خود می‌باشند.

آدنین (A) تیمین (T) سیتوزین (C) گوانین، نزدیک به هزار کلمه را می‌توان با ۲۶ حرف از الفبای انگلیسی ایجاد کرد، هزاران ژن متفاوت از هم و خاص (تقریباً ۹ هزار تا در مخمرهای تک سلولی و ۲۰۰۰۰ در گیاهان آغازیان و حدود ۳۵۰۰۰ ژن در انسان وجود دارد) که می‌تواند تنها از ۴ باز آلی موجود در رشته DNA بوجود آید و هر ژن تقریباً حدود ۵۰۰ تا ۲۰۰۰ باز می‌باشد در سیستم‌های بیولوژیک داخل سلول، این واحدهای نوکلئوتیدی قادر است به پروتئین تبدیل شود که در توالی خاصی از DNA یک پروتئین خاصی مربوط با خود را کد می‌کند.

فعالیت این پروتئینها و وظایف و عملکرد آنها در موجودات مشخص شده است. موجوداتی که تولید مثل جنسی دارند دو نسخه از کروموزمها را شامل می شود و در طی فرآیند تولید مثل والدین بطور تصادفی یکی از کروموزمها را از میان دو جفت به فرزندان و نتاج خود منتقل می‌کند بنابراین نتاج متفاوت از همان والدین یکسان از لحاظ ژنتیکی بوجود می‌آید. با انتخاب افراد برتر از یک نسل می‌تواند آنها را بعنوان والدین نسل بعد انتخاب و مورد آمیزش قرار داد. و در نتیجه از این طریق صفات مورد نظر و دلخواه را در نسل بعد افزایش داد و منجر به کاهش صفات نا مطلوب گشت، درک اصل ژنتیک و کاربردهای آن در متد‌های اصلاح نباتات موجب بهبود مناسب و معقول نباتات گردید.

واریته‌های محصولات مدرن از لحاظ ژنتیک یکنواختی در عملکرد را نسبت به واریته‌های گذشته دارند. اصلاحگران جستجوی دائمی را برای شناسایی ترکیبهای ژنتیکی جدید را از گیاهان مورد انتخاب بر اساس صفات مطلوب را انجام می دهند به عنوان مثال صفاتی مانند کیفیت محصول، عملکرد منطقه‌ای، مقاومت به آفات و بیماریها از صفاتی هستند که همواره مورد توجه قرار می‌گیرد. اصلاحگران معمولاً به تلاقی مابین دو ژنوتیپ برای ایجاد ترکیبات جدید ژنتیک صفات که نهایتاً در فنوتیپ ظهور می‌کند، مبادرت می‌ورزند منبع اولیه تنوع ژنتیکی در ژرم پلاسم داخل در گونه گیاهی وجود دارد و و بطور عمده مرتبط با گونه‌های وحشی است که قادر هستند در داخل خود گشنی کنند.

برای بسیاری از گونه‌های گیاهی اصلاحگران عمدتاً ژنهایی را که در گونه‌های وحشی قبلاً وجود دارد و باعث افزایش تنوع ژنتیکی می‌شوند را انتخاب می‌کند. هیبریداسیون و دورگ‌گیری بین گیاهان و گونه‌های وحشی امکان دستیابی به ژنهای باارزش را و انتقال آنها را برای بهبود عملکرد ژنتیک محصولات زراعی فراهم می‌کند.

به عنوان مثال همه محصولات تجارتی حاوی یک مقاومت ترکیبی به قارچها و باکتریها و بیماریهای ویروسی هستند که عمدتاً از گونه‌های وحشی نشات گرفته است (اینتروگرسیون= انتقال ژنهای مقاومت از یک گونه به گونه دیگر از طریق تلاقی با حفظ ساختاز ژنتیکی گیاه گیرنده) تنوع ژنتیکی می‌تواند همچنین از طریق جهش القائی افزایش یابد یا تغییر در ساختار DNA هرگیاه باعث افزایش میزان تنوع خواهد شد. در سال ۱۹۵۰ بالغ بر ۲۰۰۰ واریته گیاه از طریق جهشهای تصادفی القائی باعث تغییر صفات ژنتیکی گردید.

و سپس انتخاب از میان این نتاج باعث بهبود عملکرد آنها شد. روشهای ویژه هیبریداسیون همچنین میزان یکنواخت در تولید عملکرد را افزایش داده دانشمندان در سال ۱۹۲۰ به این نکته پی بردند که بعضی از محصولات مانند ذرت بطور مداوم به علت خود گردافشان داخل خود تلاقی می‌یابند و ایجاد همخون می‌کند و در نتیجه میزان هتروزیسی و برتری بسرعت طی چندین نسل متوالی رو به کاهش خواهد بود بهرحال اگر دو گیاه اینبرد ویژه را با یکدیگر تلاقی دهیم در نتاج حاصل که با نماد F۱ نشان داده می‌شود غالباً در نتیجه پدیده هتروزیسی و هیبریدی ویگور میزان عملکرد نتاج از میانگین عملکرد والدین بیشتر خواهد بود.

این پدیده بعنوان هتروزیسی یا هیبریدی ویگور است که اساس ایجاد بسیاری از بذرهای هیبرید برای ذرت، سورگوم و آفتابگردان و بسیاری از سبزیجات می‌باشد. تولید دانه‌های هیبرید نیازمند دستکاری ژنتیکی برای تولید والدین اینبرید می‌باشد.

یک تلاقی خاص بین دو والد و ایجاد نتاج F۱ برای زارعان باید تعریف شود در نتیجه گیاهان حاصل از این بذرهای هیبرید، در فنوتیپ فرد، هتروزیس مغلوب را نشان می دهند اما باید بخاطر داشت که در نسل F۲ متعاقب از F۱ این میزان سود مندی در نتیجه ترتیب و در کنار هم قرار گرفتن تصادفی اللهای(گامتهای) حاصل از بین خواهد رفت. و بنابراین زارعان برای رفع این مشکل باید به خرید بذرهای جدید F۱ بمنظور دستیابی به همان عملکرد بالا اقدام و مبادرت ورزند. صرفنظر از اینکه تنوع ژنتیکی بر اساس روشهایی، مدیریت می‌شود نتاج حاصل باید مداوماً برای شناسایی گیاهان والد آزمون می‌شود.

فلذا اصلاحگران نباتات باید جمعیت بزرگی از گیاهان را با استفاده از روشهای مختلف (انتخاب انفرادی، لاین بردینک، انتخاب فاملی) آزمون کنند به طور کلی، تنها در صد کمی از گیاهان قادر هستند که صفات مطلوب را در خود نشان دهند و بنابراین از بین جمعیت بزرگ تعداد کمی به عنوان والدین نسل بعد انتخاب می‌شود.

با ترکیب روشهای مناسب و عملی زراعی و بهبود ژنتیک واریته‌های زراعی بطور تصاعدی با افزایش عملکرد محصول و کیفیت آن مواجه خواهیم شد. بطور کلی تخمین زده می‌شود که تقریباً نصف افزایش در عملکرد محصول در ۵۰ سال اخیر در نتیجه بهبود ژنتیکی گیاهان حاصل شده است و نصف دیگر آن مربوط به بهبود مدیریت و تکنیکهای مرتبط با آن (کود، آبیاری، کنترل بیماریها و آفات می‌باشد). هر دو مراکز تحقیقاتی دولتی و شرکتهای خصوصی موجب بهبود عملکرد محصولات زراعی می‌شوند. سازمانهای خصوصی عمدتاً بدنبال خصوصیاتی هستند که بهبود آنها میزان فروش محصولات مورد عرضه را تحت تاثیر قرار می‌دهند. در سال ۱۹۳۰، سازمان ثبت اختراع امریکا به اصلاحگران اجازه داد که از مقررات تدوین شده برای واریته‌های گیاهی و بسیاری از نهالهای درختان و سبزیجات استفاده کنند و در سال ۱۹۷۰ سازمان حمایت از واریته‌‌های گیاهی، مقررات خاصی را برای توسعه واریته‌های ژنتیکی خاص در بهبود عملکرد تصویب کرد، بهرحال واریته‌های هیبرید F۱ نمی‌توانست شامل این قوانین شود چرا که در نتیجه و نسل‌گیری از آنها نمی‌تواند بر خلاف محصولات تجارتی و واریته‌های خودگشنی مانند سویا و گندم و پنبه به همان نتایج مورد انتظار رسید.

● روشهای کمکی برای بهبود عملکرد گیاهان:

روشهای اصلاحی که در بالا مورد توصیف قرار گرفت بطور قابل ملاحظه قادر به بهبود عملکرد و کیفیت محصولات مدرن امروزی هستند. ابزارهای کمکی نیز همچنین برای بهبود و افزایش عملکرد ژنتیکی در محصولات زراعی وجود دارد. به همراه روشهای اصلاحی کلاسیک و متداول این روشها نیز نسلهای بسیاری برای برآورد مناسبتر نیازهای مورد نظر ما در اصلاح نباتات بوجود آمده است.

● پیوندزدن و تکنیکهای کشت بافت:

پیوند بافت از دو واریته متفاوت از گونه‌های گیاهان از زمانهای بسیار قدیم در گیاهان چوبی و درختان مورد استفاده قرار می‌گیرد، برش قطعه خاصی از یک واریته و پیوند آن به ساقه از گیاه با منشاء ژنتیکی متفاوت معمولاً برای افزایش مقاومت به بیماری، افزایش تولید و عملکرد و تحریک رشد این محصولات مورد استفاده قرار می‌گرفت، واریته‌های با پتانسیل ژنتیکی مناسب حاصل از طریق موتاسیون القائی یا تلاقی جنسی می‌تواند بسرعت از طریق پیوندزدن به واریته‌های دیگر تکثیر شوند.

● کشت بافت:

کاربرد کشت بافت در بهبود عملکرد گیاهان از سال ۱۹۴۰ آغاز شده است در ساده‌ترین (مفهوم)، کشت بافت به روشی اطلاق می‌شود که در آن جنین مورد کشت یا یک گیاه کوچک در آزمایشگاه در یک محیط مغذی قرار می گیرد تا اینکه مرحله انتقال آن به خاک در آن فرا رسد. قطعات با قابلیت رشد بسیار (مریستم‌ها) ویژگیها مناسب برای دوباره بوجود آوردن یک گیاه کامل از یک سلول را دارند. تحت شرایط کاملاً کنترل شده بافتهائی می توانند از گیاه جدا شود و سلولهای آن جدا شود و هر کدام از آنها رشد داده شود که این توده سلولی حاصل از کشت بافت کالوس نامیده می شوند. که قدرت بسیار مناسب برای تولید یک گیاه کامل را دارد. این تکنیک (کشت بافت) می تواند به عنوان یکی از شیوه های مناسب برای تکثیر و بهبود عملکرد گیاهان مورد استفاده قرار میگیرد.

● میکرو پرو پاگیشن:

میکروپرو پاگیشن تولید چندین کپی از یک گیاه منفرد با استفاده از تکنیکهای کشت بافت می باشد. غالباًَ بافتهای مورد استفاده بافتهای مریستمی است که در جاهایی که برگهای جدید و ساقه تولید می شود هر قطعه قادر است که منجر به ایجاد یک گیاه کامل شود. در بسیاری از موارد ویروسها ئی که منجر به آلودگی گیاهان می شوند در این قطعات کوچک وجود ندارد و بنابراین از طریق این تکنیک می توان گیاهان بالغ عاری از ویروس ایجاد کرد. به عنوان مثال روش تکثیر معمولی در سیب زمینی از طریق غده یا بذر می باشد در نتیجه گال هایی که از شبدرهای مورد کشت در سال قبل بوده قادر به انتقال ویروس به محصولات جدید هر سال می باشد. و نتیجتاًَ شیوع بیماری در گیاه باعث کاهش میزان عملکرد می شود. با استفاده از روش میکروپروپاگیشن سیب زمینی و گیاهان galic در آزمایشگاه می توان امکان شیوع و ابتلا به بیماری های ویروسی را با کاشت گیاهان عاری از ویروس کاهش دارد و نتیجتاًَ باعث افزایش قابل توجه محصول شد. روش میکروپرو پاگیشن یکی از روشهای کاربردی برای تولید محصولات کشاورزی می باشد . و برای تکثیر بسیاری از محصولات از این روش استفاده می شود .

● کشت جنین:

کشت جنین معمولاًَ در گیاهان هیبریدی که از تلاقی والدین وحشی حاصل می شود مورد استفاده قرار می گیرد که معمولاًَ‌از تلاقی والدین تولید بذرهای زایای بالغ با مشکل روبروست. در این مورد بافتهای جنین نابالغ را می توان از تبدیل شدن به بذر بالغ ممانعت کرد و در آزمایشگاه از کشت جنین به گیاهان هیبرید رسید. کشت جنین اصلاح گر را کمک می کند تا بطور موفقیت آمیزی به ایجاد تلاقی بین والدین وحشی شمار زیادی از گونه ها برای دستیابی به طیف وسیعی از ژنها بپردازد و از این طریق باعث بهبود عملکرد ژنتیکی گیاهان شود، تلاقی چنین گیاهان و کشت جنین ابزارهای سودمندی هستند که به خصوص باعث انتقال ژنهای مربوط به مقاومت از والدین و خویشاوندان وحشی به محصولات زراعی می شود.

● کشت Anther ( بساک ):

کشت Anther بساک یکی از کاربردهای ویژه واریته های هیبرید می باشد و قدم اول است برای توسعه لاینهای والدین اینبرد بوسیله خود گرده افشانی مداوم تکثیر می شود. این روش می تواند در بعضی از محصولات بسیار فرایند کند باشد منجمله در پیاز و هویج که به طور معمول برای گلدهی نیاز به ۲ سال دارد بهر حال با استفاده از کشت دانه گرد در آزمایشگاه ، گیاهان هیبرید که شامل یک کپی از کرموزوم خود هستند می‌توانند تولید کنند این گیاهان می‌توانند با روشهای القائی کروموزمها خود را مضاعف کنند که از جمله این روشها تیمارهای شیمیایی است که نتیجه سریعی را در برداشت و منجر به تولید دو سری کروموزم مشابه می‌شود. این روش به طور تصاعدی باعث کاهش زمان مورد نیاز برای ایجاد والدین اینبرد در واریته‌های هیبرید F۱ و سودمندی انتخاب صفات مغلوب می‌شود.

● کشت سلولی (کشت کالوس):

کشت کالوس همچنین برای تولید جنینهای چندگانه که می‌تواند رشد کرده و به گیاه کامل تبدیل شود مورد استفاده قرار گیرد. در این روش تعداد نامحدودی گیاه می‌تواند با کشت سلول بدست آید. تنوع سوماکلونی، تنوع ژنتیکی است که که در بخش کوچکی از سلولهای حاصل از کشت کالوس بدست می‌آید. بسیار از گیاهان قادرند از کالوسهای که از لحاظ ژنتیکی یکسان هستند بدست آید. به عنوان مثال واریته‌های هویج و فلفل خوشخوراکی از میان گیاهانی که از کشت منتج شده‌اند انتخاب می‌شوند.

● پروتوپلاست فیوژن:

پروتوپلاست فیوژن یکی دیگر از روشهای تولید واریته‌های جدید ژنتیکی در آزمایشگاه می باشد. یک پروتوپلاست از یک سلول گیاهی که دیواره سلولی آن با استفاده از آنزیم از بین رفته می‌تواند با پروتوپلاست دیگر ادغام شود و DNA انها در یکدیگر مخلوط شود سلولهای ادغام شده سپس قادرند که یک گیاه کامل را بوجود بیاورند. پروتوپلاست فیوژن همچنین برای انتقال نر عقیمی از گونه‌های براسیکا (کلزا) مورد استفاده قرار می‌گیرد تا بذرهای هیبرید F۱ را تولید کند.

● انتخاب براساس نشانگرها و اطلاعات ژنوم:

انتخاب براساس نشانگر ها بهبود تصاعدی در بازده روشهای اصلاحی را که با استفاده و بر اساس برآیند اثر ژنها صورت می پذیرد باعث می شود یک مارکر (یک ناحیه شناخته شده) در محل خاص از توالی DNA می باشد. مارکرها می توانند برای انتقال یک ژن از یک واریته به واریته جدید و یا برای آزمون گیاهانی که چند ژن به آنها انتقال یافته مورد استفاده قرار گیرد. نشانگر ها می توانند بر اساس اطلاعات DNA یا پروتئین باشند. مارکرهای DNA به شناسائی محلها ئی از توالی های DNA که در واریته های مختلف با هم متفاوت‌اند می پردازند. این نشانگر ها می توانند در محلهائی در داخل ژن یا بین دو ژن باشند.

تفاوت در نشانگرها چند شکلی یا پلی مورفیسم می گویند که راههای متفاوتی برای تعیین چند شکلی در داخل کروموزوم موجود می‌باشد. مارکرهای پروتئینی بر اساس تفاوت در پروتئین که از یک ژن ساخته می شود طراحی شده اند. آنزیم‌ها پروتئینهایی هستند که واکنشهای شیمیایی خاصی را کاتالیز می کند و بنابراین می توان فعالیت آنها را مورد ارزیابی قرار داد. گیاهان معمولاًَ حاوی چندین نسخه از آنزیم‌های مشابه‌ای هستند که به طور قابل ملاحضه ای از لحاظ اندازه و تغییرات و تفاوتهای قابل تشخیص از هم دارند. این نوع آنزیمها را ایزوزایم می گویند که اندازه آنها معمولاًَ در ژنوتیپهای مختلف گیاهی متفاوت می باشد. در این مورد ژنهای کد کننده برای یک ایزوزایم خاص می تواند بوسیله بررسی نحوه توارث ایزوزایم مورد شناسائی قرار گیرد.

پروتئینهای زیادی هم وجود دارند که جزو گروه آنزیمها نیستند و به عنوان پروتئین ذخیره های دانه در دانه غلات قرار دارد که می‌توانند جداسازی، رنگ آمیزی شوند و الگو های باندی متفاوتی را بر حسب خصوصیت ژنوتیپ حاوی آن پروتئین از خود بروز دهند. هر دو نشانگر های پروتئینی و DNA به طور گسترده در اصلاح نباتات مورد استفاده قرار می گیرد اما در سالهای اخیر استفاده از نشانگرهای DNA گسترش بیشتری داشته و در اولویت تحقیقات می باشد شمار بسیاری از نشانگر های مبتنی DNA در نواحی مختلف موجودات شناسائی شده است و آنها تحت تاثیر مرحله جوانه زدن به خوبی و با دقت مناسب مشخص شوند و در نتیجه گیاهانی که فاقد صفات مطلوب هستند پس از تست نشانگر می توانند حذف شوند قبل از اینکه با هزینه سنگین آنها را به گلخانه و یا به مزارع کاشت انتقال داد.

وقتی یک ژن خاصی از گیاه وحشی به گیاه زراعی از طریق تلاقی انتقال می‌باشد بطور همزمان و تصادفی چندین ژن نامطلوب نیز غالباً از گیاه وحشی انتقال می یابد که این همیشه یک معضل ناخواسته است با استفاده از تلاقی متناوب در واریته‌های زراعی می‌توان درصد سهم ژنهای تیپ وحشی را از ۵۰ درصد در F۱ به ۲۵ و ۵/۱۲ درصد کاهش داد و در نتیجه فقط به ژن مطلوب اجازه داد که در نسلهای مختلف حضور داشته باشد. روشهای کلاسیک اصلاح نباتات نیاز به ابزارهای مناسبی دارند که بتواند سودمندیهای مورد نیاز را حاصل نماید بعنوان مثال یک آنزیم ایزوزایم به طور سریع در واریته‌های گوجه‌فرنگی حاوی ژن Mi (ژن مقاوم به نماتد) وجود دارد.

ژن Mi بطور عمده در خویشاوندان نزدیک وحشی گوجه‌فرنگی شناسایی شد و از این خویشاوندان وحشی به واریته‌های زراعی از طریق آمیزش جنسی و کشت جنین منتقل شده است. پیشرفتهای حاصل برای ایجاد واریته‌های مقاوم به نماتد از طریق روشهای کلاسیک آهسته می باشد و نیاز به کاشت گیاهان حاصل و انتظار برای رشد و بلوغ آنها دارد و سپس امتحان مقاوم متعاقب آلودگی را می‌طلبد. بعدها ژن کد کننده ایزوزایم خاص در والدین وحشی در روی کروموزمی که ژن Mi وجود دارد مکان‌یابی شد. این نشانگر ایزوزایم همراه با ژن Mi در تلاقیهای جنسی منتقل می‌شود. این دو ژن فاصله بسیار کمی را در روی DNA از یکدیگر دارند.

بطوریکه از لحاظ ظاهری همه گیاهانی که در آنها ژن Mi به توارث می‌رسد همچنین حاوی نشانگر ایزوزایم مربوطه خواهد بود و بعداً مشخص شد که بین این دو ژن پیوستگی وجود دارد و بنابراین اصلاحگران می‌توانند از روی این نشانگر ایزوزایم پیش‌بینی کنند که در کدام گیاهان ژن Mi انتقال یافته است. آزمون نشانگر ایزوزایم می‌تواند بطور قابل توجه زمان آزمون کلاسیک موجود را کاهش دهد. نشانگرهای DNA برای آزمون توارث بسیاری از ژنها بطور همزمان به گیاهان مفید می‌باشد و راهی ساده و مناسب استفاده از ابزارهای قدرتمند برای بهبود عملکرد گیاهان هستند. الگوهای باندی UPC (کد گذاری) به اصلاحگر اجازه می‌دهد که تمامی ژنهای مطلوب را شناسایی کند. همچنین نشانگرهای DNA می‌تواند برای اثبات انتقال ژنهای مقاومت به آفات و یا برای انتخاب صفاتی که توسط چندین لوکوس ژنی با روابط پیچیده بین آنها کنترل می‌شوند ( مثل صفت طعم ) ارزیابی والدین از لحاظ تنوع ژنتیکی مورد استفاده قرار گیرد. بـرای دستیابی به اطلاع بیشتر به بخش انگشت‌نگاری سبزیجات انتخاب بر اساس نشانگرهای مولکولی با آدرس اینترنتی http: //vric.vcdavir.edu مراجعه کنید.

● تکنولوژی DNA نوترکیب:

▪ تکنیک کلونینگ DNA

صفات اقتصادی در گیاهان از طریق ژنهایی که بر روی DNA این گیاهان وجود دارد کد می‌شود در سال ۱۹۷۳ امکان شناسایی مولکولهای DNA توسط محققین دانشگاه کالیفرنیا و استانفرد فراهم شد. آنها روشهایی که برای جداسازی قطعات خاصی از مولکولهای DNA ، اضافه کردن یک قطعه DNA به یک ناقل و استفاده از باکتریها بعنوان ماشینهای همانندسازی بیولوژی و برای تولید مقادیر زیادی از مولکولهای DNA توسعه دادند . این روشهای DNA نوترکیب به محققان امکان داد تا ژنهای مورد نظر را از هر موجودی جدا و آن را تکثیر کنند و مقادیر زیادی از این ژنها را بدست آورند و خصوصیات و وظایف آنها را مورد بررسی قرار دهند.

این تکنیکها بر اساس آنزیمهای برشی می باشد که می‌تواند یک قطعه خاصی از DNA را شناسایی و آن را قطع کنند. انتهایDNA که قطع می‌شود می‌تواند به دو صورت صاف و یا انتهایی چسبنده باشد. مفهوم انتهایی چسبنده این است که این قطعات حاصل از برش قادرند به رشته‌های دیگر DNA که توالی مکمل آنها را دارد متصل شوند. بنابراین اگر دو قطعه DNA با یک آنزیم بریده شود دو انتهای چسبناک در دو طرف DNA هر یک بوجود می‌آید که دارای توالی DNA مکمل و قابلیت اتصال به یکدیگر می‌باشند بنابراین اگر آنزیم لیگاز در محیط باشد امکان اتصال فراهم می‌شود این توانایی موجب اتصال دو مولکول DNA متفاوت در آزمایشگاه و ایجاد مفهومی می‌شود که از این بنام تکنولوژی DNA نوترکیب یاد می شود در عمل یک ژن مطلوب را می‌توان با استفاده از آنزیمهای برشی، برش داد و آن را در داخل یک ناقل وارد کرده و به یک سلول باکتریایی انتقال داد. ناقل DNA (پلاسمید) قابل تکثیر می‌باشد و باعث تولید بسیاری از قطعات حاوی DNA وارد شده می‌شود بعلاوه پلاسمید حاوی ژنهای مجزای دیگری است که مسؤل مقاومت آنتی‌بیوتیک در پلاسمید می‌باشد بنابراین در صورت قراردادن پلاسمید حاوی ژن انتقال داده شد در محیط کشت، قابل شناسایی هستند مارکرهای انتخاب بنابراین برای شناسایی سلولهای که ترانسفرم شده‌اند ضروری است از این سلولها می‌توانند در نهایت آن ژن را جدا و خالص‌سازی کنند.

برای درک، اصول کلی DNA نوترکیب نمودار شماره ۸ مراجعه شود علت موفقیت در تکنولوژی DNA نوترکیب این است که ساختار شیمیایی DNA نوترکیب این است که ساختار شیمیایی DNA در موجودات مختلف مشابه است و بنابراین دانشمندان امروزه می‌توانند کپی‌ها و ژنهای تغییر یافته را از یک موجود به موجود دیگر انتقال دهند. از لحظ تئوری هر ژنی از یک موجود به موجود دیگر با استفاده از تکنولوژی DNA نوترکیب قابل انتقال می باشد. ژن وارد شده به موجود می تواند وظیفه خود را که قبلاً برعهده داشته، انجام دهد. تکنولوژی DNA نوترکیب اصلاحگران نباتات را قادر ساخته که از ژنهای مفید جدا شده در دسترس برای بهبود ژنتیکی عملکرد استفاده کنند، بدون اینکه نیاز به خویشاوندی بین دو واریته مورد تلاقی باشد.

توانایی جدا سازی قطعه های از DNA و تعیین توالی محتوای بازی آن سبب انفجار اطلاعات بیولوژیکی شده است. پروژه های ژنوم توالی DNAو همه ژنهای موجود در یک فرد را مورد بررسی قرار می دهند اطلاعاتی که اخیراً از پروژه های ژنوم انسان حاصل شده است منجر به افزایش درک ما نسبت به بیماریهای انسان و ابداع تیمارها و روشهای درمانی خاص شده است. توالی ژنوم یک مدل گیاهی مانند آرابیدوسیس در دسامبر ۲۰۰۰ کامل شده است. این پروژه ها به روشنی حکایت از وجود تشابهات قابل توجه ژنتیکی بین نه تنها بیشترین گیاهان بلکه همچنین بعضی از گیاهان، حیوانات و میکروارگانیسم‌ها دارد. این نتایج به روشنی وجود حفاظت در مسیر حیات را نشان می‌دهد.

● تکنیکهای ترانسفورماسیون:

ژنهایی که ازیک موجود کلون می شوند، آنها می توانند به داخل همانگونه یا داخل ارگانیسم های متفاوت انتقال یابند و ایجاد افراد تراریخت را نمایند. بنابراین با استفاده از ساختار ژنتیکی ابتدا یی باکتری می توانند یک ژن کلون شده را به طور نسبتا آسان به دیگران انتقال داد.بنابراین اولین کاربرد DNA نوترکیب انتقال ژنهای مفید به داخل باکتری می باشد. اولین موجود ترانس ژن در سال ۱۹۸۱ مربوط به باکتری مهندسی ژنتیک بود که هیدرو کربنات تولید می کرد، هم اکنون اکثرا پنیرهای با استفاده از کیموزین تهیه می شوند کایموزین از استخراج میکروبی، باکتریهای که ژن کایموزین در آنها کلون شده بدست می آید و این روش در مقایسه با استخراج این آنزیم از معده گوساله سودمندی و بازدهی مناسبی دارد. بیشترین انسولین مورد استفاده برای مصارف درمانی دیابت در انسان با استفاده از تظاهر ژن انسولین انسانی در میکروبها می باشد و بسیاری از مواد داروئی در قارچها، حشرات و سلولهای پستانداران مهندسی ژنتیک شده حاصل می شود.

انتقال ژنهای کلون شده به داخل گیاهان یک راه متفاوت از انتقال ژن به باکتری و سلولهای حیوانی است. بطور معمول اکثرا روشهای ترانسفورماسیون با استفاده و بهر ه گیری از باکتری اگروباکتریوم برای انتقال به داخل گیاهان صورت می گیرد. وقتی اگروباکتریوم حاوی ژن وارد بافت گیاهی میشود DNA خود را به داخل کروموزوم گیاهی تزریق می کند و در نتیجه همراه با باکتری مذکور ژن مورد نظر در داخل گیاه تکثیر می شود. در سال ۱۹۸۰ دانشمندان کشف کردند که چطور با استفاده از آکروباکتریوم بتوانند ژنهای کلون شده را به داخل کروموزومهای گیاهی منتقل منتقل کنند. دیدگاه دوم برای تولید گیاهان تراریخت استفاده از روش بیولیستیکBolistic)) است که در این روش ، در این روش DNA مورد نظر را با سرعت بسیار ذرات فلزی به داخل بافت گیاهی وارد می کنند و در نتیجه ادغام DNA با کروموزوم گیاهی صورت می گیرد. در سلولهای تراریخت از این طریق با استفاده از تکنیک کشت بافت قادر به تکثیر هستند. روشهای تولید گیاهان تراریخت می تواند برای افزایش تظاهر یا کاهش تظاهرات صفات در محصولات زراعی مورد استفاده قرار گیرد.

در مرحله ایجاد کلونهای DNA ، یک بخش مهم و بحرانی در فرایند ترانسفورماسیون انتخاب افراد ترانس‌ژنی است که تنها یک بخش کوچک سلول یا بدر حاوی ژن مطلوب موردنظر می‌باشد. بطور کلی ترکیب یک ژن مرتبط با آنتی بیوتیک و سپس انتخاب تنها سلولهای گیاهی که قادر به رشد در آنتی بیوتیک هستند. بعضی مردم عقیده دارند که کاربرد گسترده چنین ژنهایی باعث افزایش مقاومت به آنتی‌بیوتیک در هنگام شیوع پاتوژنهای انسانی و ایجاد مشکلات پزشکی می‌شود بهرحال احتمال این چنین مواردی منتفی است آنتی‌بیوتیک که برای ترانسفورماسیون در گیاه استفاده می‌شود. عمدتاً آنهایی هستند که بندرت در پزشکی و دامپزشکی مورد استفاده قرار می‌گیرد در غیر اینصورت شکلهای جایگزین ژنهای نشانگر برای جایگزینی با روشهای مقاومت آنتی‌بیوتیک باید ابداع شود.

گیاهان ترانس ژنتیک بعضی مواقع تحت عنوان GMO اطلاق می‌شود علیرغم استفاده گسترده جهانی آنها این اصطلاح گمراه کننده است چون همه گیاهان اهلی و حیوانات اهلی به نوعی تغییر ژنتیک یافته هستند با این تفاوت که روش تغییر شکل از طریق کلاسیک یا نوین بوده‌است. این گیاهان می‌توانند همچنین با اصطلاح ترانس ژنتیک معرفی شوند یعنی گیاهانی که حاوی ژن کلون شده در خود می‌باشند. تکنیکهایDNA نوترکیب و ترانسفورماسیون اجازه می‌دهند به اصلاحگران تا از ژنهای مهم از هر موجودی به عنوان ابزار برای بهبود محصولات کشاورزی استفاده کنند. به عنوان مثال‌برای افزایش تجمع بتاکاروتن در برنج(بتاکاروتن پیش ساز ویتامین A) یک برنج نوترکیب به نام برنج طلایی(Golden Rice) ایجاد شده است. دانشمندان از ژنهای باکتری ، ویروس استفاده می کنند.

روشهای ایجاد گیاهان تراریخت موجب انتقال صفات مطلوب به گیاهان و ایجاد تغییرات ویژه در صفت مورد علاقه می‌شود برعکس بسیاری از ژنهایی که منتقل می‌شود در زمانی که اصلاحگر از تلاقی طبیعی بین دو گیاه استفاده می‌کند، ناشناخته و غالباً نا مطلوب هستند به عنوان مثال وقتی ژن Mi که عمل آن ایجاد مقاومت به نماتد است به داخل گوجه فرنگی از طریق تلاقی کلاسیک انتقال می یابد، کل DNA دچار تغییر می‌شود و این تغییر ۷۰ برابر بزرگتر از زمانی است که تنها ژن Mi را به گوجه‌فرنگی انتقال می دهیم. بهرحال استفاده از ژن کلون شده Mi که تنها برای انتقال صفت مقاومت به نماتد می باشد بدون اینکه مقادیر اضافی از DNA منتقل شود . درختان چوبی و محصولات دیگر با استفاده از روشهای کلاسیک بطور متفاوتی بهبود ژنتیک می یابند چون زمان طولانی برای بذر دهی و شروع گلدهی نیاز است و صفات خاصی در بعضی از واریته‌ها به سختی به سختی و در طولانی مدت از یک گونه به گونه دیگر انتقال می‌یابد به عبارت دیگر اگر تنها یک یا چند ژن مقاومت به بیماری‌ یا آفت. آن مهم است که ترکیب و ساختار ژنتیکی قبلی خود گیاه تا حدالامکان حفظ شود بنابراین روشهای انتقال ژن ممکن است ابزار مناسب را برای بهبود محصولات و درختان فراهم کند.

● دیدگاههای در حال توسعه در اصلاح نباتات:

اصلاحگران نباتات با استفاده از روشهای کلاسیک منابع ژنتیکی محدودی را برای بهبود عملکرد محصولات زراعی دارند و روشهای DNA نوترکیب امروز به طور قابل توجه‌ای این منابع را افزایش می دهند. واریته‌های ترانس ژن اگر چه از لحاظ سود اقتصادی برای کشاورزان مناسب هستند، ولی میزان مصرف آنها کاهش می‌یابد و استفاده از این گیاهان میزان فرسایش خاک را به حداقل ممکن می‌رساند. دیگر انتشارات سرویس خبری بیوتکنولوژی کشاورزی کالیفرنیا تولیدات مشابه ترانس ژنتیک و مباحث پیرامون معرف آنها را شرح خواهد داد.