گیاهان و مهندسی ژنتیک

اطلاعات اولیه

گیاهان نه تنها اهمیت بسزایی در کشاورزی دارند، بلکه بعضی از گیاهان زینتی و دارویی ارزش اقتصادی بالایی دارند. امروزه از کدئین ، کیتین و دیگوکسین گیاهانی برای ضد درد ، ضد مالاریا و ضد التهاب قلب استفاده می‌شود. با توجه به گسترش علم تکثیر مریستم در جوانه ، نوک ریشه ، گرهک در زمینه تولید پروتئینهای جانوری مانند زنجیره سبک ایمونوگلوبین‌ها ، انسولین ، آلبومین سرم انسانی و ... گامهایی برداشته شده است.

برای جدا کردن
ژنها و انتقال آنها به گیاهان وجود یک بانک ژن ضروری است. بدین منظور امروزه بسیاری از ژنهای گونه‌های مطلوب کشاورزی در بانکهای ژن به صورت کلون شده ، نگهداری می‌شود و سپس در مواقع مورد نیاز ژنها به داخل گیاهان تزریق شده و گیاهان ترانس ژن تولید می‌شود. تاکنون بیش از هزاران گونه گیاهی ترانس ژن تولید شده است. در کشورهای اروپایی استفاده از گیاهانی ترانس ژن به دلیل مخالفت نسلهای جدید و تعداد بالای طرفداران محیط زیست فوق‌العاده محدود است.

تاریخچه

استفاده از گیاهان ترانس ژن از سال 1984 گسترش قابل ملاحظه‌ای یافته است. در این سال گروه تحقیقاتی در دانشگاه بلژیک زیر نظر پروفسور مونتاگو و در آلمان زیر نظر پروفسور شل موفق به انتقال ژن به سلولهای گیاهی با استفاده از پلاسمیدهای یک گونه باکتری به نام آگروباکتریوم گردیدند.

تولید گیاه از طریق کشت سلولی

تولید گیاه از طریق کشت سلولی از نظر مهندسی ژنتیک اهمیت زیادی دارد. وقتی گیاه زخمی شود، تکه‌ای از بافت نرم اطراف آن را فرا می‌گیرد که به آن کالوس می‌گویند. اگر قطعه‌ای از این بافت نرم را در محیط کشت همراه با مواد غذایی و هورمونهای گیاهی قرار دهیم، سلولها تقسیم می‌شوند و یک توده سازمان نیافته‌ای از سلولهای تمایز نیافته به نام کالوس ، ایجاد می‌کنند که به این روش کشت کلونی گفته می‌شود.

سلولی از این کشت را می‌توان انتخاب کرد و به محیط کشت جدید انتقال داد. سلولهای موجود در کالوس قادر به دریافت DNA نمی‌باشند، چون دیواره آنها حاوی
سلولز است. ولی اگر با آنزیم سلولاز دیواره را از بین ببریم، پروتوپلاست بدست می‌آید. پروتوپلاست قادر به جذب DNA نوترکیب می‌باشد و در ضمن قادر به رشد در محیط مناسب و تبدیل به گیاه کامل نیز می‌باشد.



تصویر

ساختن گیاهان دو رگه با استفاده از ادغام پروتوپلاستی

برای ایجاد تغییرات ژنتیکی مطلوب در گیاهان بطور کلی دو روش غیر از آمیزش جنسی گیاهان وجود دارد. روش اول انتقال مستقیم DNA به درون پروتوپلاست است. این روش ساده‌تر است و برای خود محاسن و معایبی دارد. به عنوان مثال در بعضی گیاهان به ویژه تک لپه‌ایها بکار گیری حاملهای بیان ژن ، نتایج رضایت بخشی ارائه نمی‌دهد.

در روش دوم ، هنگامی که پرتوپلاستهای دو
سلول دیپلوئید باهم ترکیب می‌شوند، یک سلول تتراپلوئید بدست می‌آید، در حالی که در بعضی از گیاهان می‌توان از دانه گروه آنها سلول هاپلوئید تولید کرد و با الحاق چنین پروتوپلاستهای هاپلوئیدی امکان تولید گیاه دیپلوئیدی وجود دارد. شاید بدین طریق بتوان گیاهانی را که از نظر ناسازگاری جنسی دو رگه نمی‌شوند، از طریق الحاق پروتوپلاستی گیاه دو رگه بارور ایجاد کرد.

نقش آگروباکتر و پلاسمید Ti در ایجاد تومور تاجی

از میان گروهی از باکتریهای خاک که به عنوان آگروباکتریوم شناخته شده‌اند، چندین گونه وجود دارد که می‌توانند گیاهان را عفونی کنند و سبب ایجاد تاول تاجی در گیاهان شوند. در این حالت یک توده یا کالوس از بافت توموری که در یک حالت غیر تمایزی در محل عفونت رشد می‌کند، ظاهر می‌شود.

هنگامی که سلولهای تاول تاجی درون محیط کشت قرار گیرند، آنها جهت تشکیل یک کشت کالوسی حتی عاری از هورمونهای گیاهی ، رشد می‌کنند. هنگامی که سلولهای تاول تاجی بوسیله آگروباکترویوم به صورت تومور در آمده باشند، حتی اگر تمام آگروباکترویوم را توسط مواد ضد میکروب از سطح گیاه حذف کنیم، سلولهای گیاهی به صورت تومور باقی می‌مانند. القاء تومور تاجی در گیاه توسط پلاسمید باکتری آگروباکتریوم صورت می‌گیرد که به داخل گیاه منتقل می‌گردد.

پلاسمید Ti در آگروباکتریوم

پلاسمید Ti مولکولهای حلقوی هستند که دارای بخشهای مختلفی می‌باشند. قسمتی از آن به نام T-DNA وارد گیاه می‌شود، وظیفه T-DNA در داخل گیاه تولید هورمونهای اکسین و سیتوکینین است که باعث رشد تومور مانند قسمت زخم خورده گیاه می‌شوند. همچنین T-DNA یک اسید آمینه غیر ضروری برای گیاه به نام اوپین می‌سازد که این ماده به عنوان منبع ازت ، مورد استفاده خود آگروباکتریوم قرار می‌گیرد.



تصویر

موتانهای پلاسمید Ti

با توجه به اینکه کروموزم باکتری نیز در ارتباط با برقراری رابطه میان آگروباکتریوم و گیاه نقش دارد، ولی از طریق هیبریداسیون و موتانهای فاقد پلاسمید Ti نشان داده شده است که قدرت ایجاد تومور تاجی وابسته به پلاسمید Ti است. آگروباکتریومی که فاقد پلاسمید Ti باشد، بیماری تاول تاجی ایجاد نمی‌کند. اگر توسط ترانسپوزون‌ها در توالی T-DNA تغییر بوجود آید، یا اوپینها سنتز نمی‌شوند، اما گال بوجود می‌آید و یا تومور القا نمی‌شود، این مطلب نمایانگر آن است که توالی T-DNA در ایجاد تومور موثر است.

انتقال DNA به گیاه از طریق شوک الکتریکی

با توجه به اینکه آگروباکتریوم فقط سلولهای دو لپه‌ای را آلوده می‌کند، در سلولهایی مانند گندم ، برنج و ذرت از طریق شوک الکتریکی برای انتقال DNA به درون سلول استفاده می‌شود. برای استفاده از الکتروپوریشن به سلول گیاهی احتیاج به پروتوپلاست است، ولی تولید گیاه کامل از پروتوپلاست تک لپه‌ای مشکل است و در واقع اگر DNA مستقیما به سلول تزریق شود بهتر است، علاوه بر این از طریق تزریق DNA توسط تفنگ ذره‌ای می‌توان DNA را وارد سلولهای حاوی دیواره نمود.



تصویر

کاربردهای انتقال ژن به گیاهان

از مهمترین اهداف انتقال ژن به گیاهان می‌توان موارد زیر را ذکر کرد.
  • ایجاد مقاومت در برابر حشرات
  • تولید بازدارنده پروتئینازها در برابر حشرات
  • تولید گونه‌های مقاوم به قارچها
  • مقابله با ویروسها
  • تولید گیاهان مقاوم به علف کشها
  • تولید گیاهان مقاوم به استرس

چشم انداز

تاکنون آزمایشات متعددی برای ایجاد گیاهان ترانس ژنتیک از طریق پلاسمید Ti باکتری آگروباکتریوم و یا از طریق تفنگ ذره‌ای بکار برده‌اند و دانشمندان در فکر تولید انترفرون در گیاهان و در کشت سلول گیاهی هستند و از طرف دیگر تولید گیاهان برتر و با محصولات بیشتر یکی دیگر از اهداف مهندسی ژنتیک گیاهی می‌باشد.

 

 

اهمیت ذخایر ژنتیک گیاهی و دانش بومی مربوط به گیاهان، در توسعه پایدار:

 

 

اهمیت ذخایر ژنتیک در بحث پایداری:

          طی نشستی جهانی در سال 1987 در خصوص توسعه و محیط زیست «توسعه پایدار» تعریف شد. در این تعریف توسعه پایدار: «راهبردی برای تامین نیازهای کنونی بشر، بدن اینکه برای نسل‌های آینده مشکلاتی ایجاد شود»، عنوان شد. موضوعات اساسی در بحث پایداری شامل پنج محور اساسی: سیاست و مدیریت، انرژی و نهاده‌ها، منابع ژنتیک، اقلیم، آب و خاک است. در پنج محوری که ذکر شد یکی از موضوعات اساسی ذخایر ژنتیک می‌باشد که شامل شناسائی ذخایر ژنتیک، ارزیابی و سنجش آنها و استفاده از آنهاست.

          ژنتیک گیاهی به عنوان بخش مشخصی از تنوع زیستی در‌بردارنده مواد ژنتیکی است که در اشکال اولیه و گونه‌های وحشی، واریته‌های بومی و سنتی و کولتوارهای جدیدوجود دارد. منابع ژنتیک گیاه منابعی را برای معیشت انسان اعم از تهیه غذا، چرای دام، تهیه سوخت‌، تهیه الیاف، تهیه جان پناه، تهیه دارو و بسیاری از مایحتاج دیگر انسان فراهم می‌کند. برآوردشده که 300 تا 500 هزار گونه اصلی گیاهی وجود دارد که تقریباً 250 هزار گونه آن شناخته یا توصیف شده است. حدود 30 هزار از گونه‌ها خوراکی است که حدود 7 هزار از آنها در طی تاریخ بشر مورد استفاده قرار گرفته. افزایش شمار گونه‌هایی که پرورش آنها ممکن است برای نیازهای انسانی اعم از تغذیه، خوراک دام، تهیه سوخت و در صنعت کاربرد داشته باشند، از جمله مواردی است که اهمیت حیاتی دارد. این کار می‌تواند با شناسائی گونه‌ها، آزمایش بر روی آنها، سازگار نمودن و پرورش آنها صورت گیرد(1). شناخت و ثبت دانش بومی در خصوص گونه‌های مختلف گیاهی، ویژگی‌ها و کاربردهای آنها در قسمتهای مختلف دنیا می‌تواند از به هدر رفتن دانشی که طی اعصار و قرون کسب شده جلوگیری کند و در اقدام در زمینه معرفی گیاهان جدید برای بهره برداری موثر واقع شود.

          معرفی گیاهان جدید برای بهره‌برداری‌های مختلف منجر به بهبود وضعیت بیولوژیکی زیست محیطی، خاک، آب، پوشش گیاهی و چشم اندازها می‌شود. این امر با افزایش تنوع زیستی به منظور تعویض سیستم‌های تولید تک کشتی کنونی می‌تواند ممکن شود.توسعه و پیشرفت بیوتکنولوژی و تکنولوژی ژن می‌تواند فرصت‌های جدیدی برا ی حمایت گیاهانی که بطور سنتی از قدیم کشت می‌شوند ایجاد کند. این امر به ویژه با پیشرفت در زمینه کولتیوارهای جدید مقاوم و کولتیوارهایی است که برخی ویژگیها و خصوصیات مورد نیاز انسان از نظر تغذیه، خوراک دام و غیره در آنها تقویت می‌شود و یا از نظر تولید برخی ترکیبات شیمیایی و بیوشیمیایی که در آنها موجود است.

پیشبرد پایداری و افزایش بازده محصولات مختلف مربوط به اثرات متقابل و عملکرد تعداد زیادی از ژنهاست(بوشتینگ1997). برای دستیابی به این مفهوم لازم است تحقیقات ویژه‌ای در زمینه‌های ذیل صورت گیرد:

-                     افزایش کارآئی فتوسنتز

-                      بهبود کارآئی مواد مغذی و آب (با توسعه کولتوارهای کم توقع)

-                      تغییر در مکانیسم نقل و انتقال مواد غذایی در درون گیاهان

مطالعات زیادی که در خصوص گیاهان، از انواع وحشی، انواع قدیمی، میانه و ژنوتیپ‌های جدید غلات صورت گرفته نشان داده است که واریته‌های جدید بازده بیشتری نسبت به واریته‌های قدیمی دارند و بازدهی بیشتری از نظر مصرف مواد مغذی دارند. محتمل به نظر می‌رسد که برنامه خاصی برای کشت کولتیوارهای کم توقع موفقیت آمیز باشد. کولتیوارهای اصلاح شده‌ای که کم توقع‌اند نهاده کمتری را نیز طلب می‌کنند و از این رو در حفاظت محیط زیست موثر واقع می‌شوند.

 

 

 

ایران از نظر ذخایر ژنتیک گیاهی جزء غنی ترین کشورهای دنیاست

 

 

 26/11/83 

منابع ژنتیکی از ارزشمندترین منابع طبیعی و جزء ثروت ملی هر کشور محسوب می شوند و ایران براساس مدارک و شواهد موجود از نظر ذخایر ژنتیک گیاهی جزء غنی ترین کشورهای دنیاست.
«بانک ژن گیاهی ملی ایران» موسسه ای است که تحقیقات پایه درزمینه ژنتیک گیاهی و حفاظت و بهره برداری از این منابع را در کشور ما برعهده دارد.
دکتر جواد مظفری معاون پژوهشی سازمان تحقیقات و آموزش کشاورزی و رئیس بخش تحقیقات ژنتیک بانک ژن گیاهی ملی ایران در حاشیه گردهمایی سالیانه تحقیقات این بخش، به سوالات خبرنگار ایانا پاسخ داده است.

وظایف بانک ژن گیاهی ملی ایران چیست؟
بانک ژن گیاهی ملی ایران دو مسئولیت عمده را برعهده دارد که عبارتند از جمع آوری، شناسایی و بهره برداری از ذخایر گیاهی در سطح ملی و تحقیقات ژنتیک پایه.
کارشناسان این مرکز با تعیین نقاط پراکنش گیاهان، پایش (مونیتورینگ) تغییرات آنها در رویشگاههای طبیعی، حفاظت از آنها در رویشگاه و انتقال و نگهداری منابع ژنتیکی در بانکهای ژن، از انقراض این منابع ارزشمند و از دست رفتن دائم ارقام نادر موجود در طبیعت جلوگیری می کنند.
همچنین این مرکز، تحقیقات گیاه شناسی از قبیل ارزیابی صفات زراعی، تعیین روابط خویشاوندی بین گیاهان و ایجاد بانک اطلاعاتی نمونه های موجود را نیز برعهده دارد. امروزه حدود 60 هزار نمونه ژنتیکی از گونه های مختلف گیاهی در اینجا نگهداری می شود. حدود 18 هزار نمونه گندم، 10 هزار نمونه حبوبات، 6 هزار نمونه جو، 5 هزار نمونه گیاهان علوفه ای، 2500 نمونه برنج، بیش از 5 هزار نمونه درختان میوه و بیش از 5 هزار نمونه خویشاوندان وحشی غلات، مجموعا 60 هزار نمونه ژنتیکی را تشکیل می دهند که در بانک ژن این موسسه موجود است. این نمونه ها به دو حالت برای درازمدت و کوتاه مدت ذخیره سازی می شوند، یعنی بطور کلی 120 هزار نمونه یکی در اینجا وجود دارد.
مهمترین طرحهای تحقیقاتی که در این موسسه انجام شده است چه طرحهای هستند؟
طرحهای تحقیقاتی موسسه در چند زمینه انجام می شود که از آنها مطالعات ژنتیکی برای کشف صفات مفید در ژنوم ارقام موجود گیاهی است. یافتن رقم نخود مقاوم به بیماری برق زدگی که مهمترین بیماری نخود در سال گذشته بوده است، یافتن رقم پیاز مقاوم به تریپس که مهمترین آفت پیاز در دنیاست، کشف رقم مقاوم به موزاییک ذرت در گیاه سورگوم، رقم مقاوم به فوزاریوم در کنجد و رقم گندم مقاوم به فوزاریوم خوشه، از مهمترین طرحهای این زمینه است.
از دیگر کارهای موسسه تهیه ژرم پلاسم عاری از بیماری است. این کار در درختان میوه و گیاهانی که به شکل غیرجنسی تکثیر می شوند بسیار حائز اهمیت است. چون در تکثیر غیرجنسی، بخشی از بدن گیاه برای تکثیر کاشته می شود و نتیجتا در صورت وجود آفت یا بیماری، این آلودگی عینا به مزرعه جدید منتقل می شود. از مهمترین کارهای ما در این زمینه تهیه هسته های اولیه بذر سیب زمینی است که در حال حاضر موسسه بیوتکنولوژی با استفاده از آن، بذر عاری از ویروس سیب زمینی را تولید می کند.
کار دیگری که در این موسسه انجام می گیرد، مطالعه رابطه خویشاوندی بین گونه های مختلف گیاهی است. هدف از این کار این است که بدانیم برای اصلاح و به نژادی یک گونه گیاهی از کدام گونه های دیگر و چگونه می توان استفاده کرد. در همین زمینه هیبریدهایی بین گندم تجاری و یک نوع علف وحشی بنام اژیلوپس ایجاد کردیم که هدف از این پروژه تولید گندم مقاوم به شوری است. در آینده به تدریج با کاهش سهم ژنتیکی اژیلوپس و افزایش سهم ژنتیکی گندم گیاهی بدست می آوریم که علاوه بر دارا بودن کلیه اختصاصات گندم تجاری، از صفت مقاومت به شوری نیز برخوردار است.
پروژه دیگر در دست اجرای موسسه کنترل بیولوژیک یکی از بیماریهای قارچی گندم با استفاده از ویروسهای آلوده کننده این نوع قارچ است. در این بیماری با رشد قارچ روی خوشه گندم، سمی تولید می شود که با مسموم کردن دانه گندم باعث ایجاد سرطان در انسان و بیماریهای جهازهاضمه و تناسلی در دام مصرف کننده آن می شود. طرحی که ما در دست داریم ایجاد مقاومت به این بیماری با استفاده از ویروسهایی است که قارچ را از بین می برند.
همه این طرحها یک هدف دارند و آن هدف این است که چگونه منابع ژنتیکی ارزشمند موجود در کشور را حفظ کنیم. تا به حال موسسات بین المللی چنین کارهای تحقیقاتی را برای ما انجام می دادند ولی امروزه این تکنولوژی در کشور ما ایجاد شده و نیروی انسانی مورد نیاز برای اجرای این طرحهای تحقیقاتی تربیت شده است که در کلیه موسسات تحقیقاتی کشور اینگونه پژوهشها را انجام می دهند.
بانک ژن گیاهی ملی ایران هم در قالب یک ستاد در کرج و نمایندگی هایی که در مراکز تحقیقاتی استانها فعالیت می کنند، سال گذشته 226 طرح تحقیقاتی را در قالب 42 طرح ملی در نقاط مختلف کشور به انجام رسانده که هدف از آنها حفاظت و بهره برداری از منابع ژنتیکی ایران بوده است.