استفاده از روشهاي كلاسيك و نوين اصلاح نباتات در بهبود عملكرد
اصلاح نباتات :
اهلي نمودن گياهان يكي از مهمترين وقايع كشاورزي در دنياي جديد است. هدفهاي كلي اصلاح نباتات افزايش عملكرد در واحد سطح بهتر نمودن كيفيت محصولات كشاورزي و توليد مواد اوليه مورد نياز جوامع انساني است. ارقام و واريته‌هاي اصلاح شده گياهان زراعي و زينتي هر ساله از كشوري به كشور ديگر انتقال داده مي‌شود. بدين طريق كيفيت و كميت محصولات كشاورزي افزايش يافته و احتياجات فراورده‌هاي زراعي رفع مي‌شود. در اغلب گياهان يك يا چند ژن باارزش اقتصادي فراوان دارد. ژنهايي كه حساسيت و مقاومت گياهان را نسبت به امراض و آفات كنترل مي‌كنند در اولويت برنامه‌هاي اصلاح نباتات قرار دارند. هدف اصلاحگر نبات نبايد در توسعه روشهاي معمول كشت نباتات اصلاحي منحصر گردد بلكه بايستي همواره در جستجوي تركيبات نو از ژنوتيپهاي مطلوب باشد.
هدف اصلاحي نهايي در هر برنامه اصلاحي افزايش عملكرد مي‌باشد. در شرايط نا مساعد افزايش عملكرد به طريق اصلاح نباتات به مقدار كم و صرف زمان طولاني ممكن است ژنهاي كنترل كننده عملكرد براي بروز حداكثر پتانسيل خود به عوامل محيطي توليد وابسته مي‌باشند. به طور كلي عمدترين اهداف اصلاح نباتات را مي‌توان در عناوين زير خلاصه مي‌شود.
1- بهبود كيفيت
كيفيت خصوصيتي است كه باعث افزايش ارزش محصول مي‌شود كيفيت در جائي ممكن است به ارزش غذايي يك غله يا طعم و بافت يك ميوه تلقي شود. كيفيت جزء مهمي از هر برنامه اصلاح نباتات محسوب مي‌شود. به عنوان مثال ژنوتيپهاي مختلف گندم آرد توليدي حاصل از آن را تحت تاثير قرار داده و نهايتاً حجم و بافت و رنگ نان را مستقيماً تحت تاثير قرار مي‌دهد. بهرحال در گياه اصلاح شده از لحاظ پروتئين و اسيدهاي آمينه ممكن است متفاوت باشد. در اهداف توليد نباتات علوفه‌اي توجه به كيفيت علوفه همواره مسئله خوش‌خوراكي و ارزش تغذيه‌اي را در بردارد در گياهان زينتي كيفيت مفهومي جدا از گياهان زراعي دارد. خصوصيات كيفي در گلهاي زينتي عمدتاً همچون شكل ظاهر، شدت و ميزان عطر ساطع شده و وجود و عدم وجود تيغ، تعداد گلبرگ را شامل مي شود. در ميوه ها و محصولات انباري كه طيف وسيعي از ميوه جات و سبزيجات را در بر مي گيرد كيفيت معمولاًَ به مقاوم و ماندگاري خصوصيات بيوشيميايي محصول انبار شده در برابر تغييرات طولاني مدت محيط فيزيكي را شامل مي شود. خصوصيات انباري از مهمترين شاخصهاي اقتصادي را شامل مي شودكه با بازار پسندي محصول ارتباط مستقيمي دارد.
2- افزايش توليد در واحد سطح:
افزايش توليد در واحد سطح و استفاده از ژنوتيپهاي مفيد و مطلوب در هر منطقه آب و هوايي از ديگر اهداف اصلاحگران نباتات مي باشد. عملكرد گياه در واحد سطح منعكس كننده برآيند همه اجزا گياه مي باشد. بهرحال همه ژنوتيپهاي توليد شده داراي عكس العمل فيزيولوژيكي و ژنتيكي يكساني در شرايط مختلف نيستند. عملكرد صفتي پيچيده است كه تحت تاثير اثر متقابل ژنوتيپ و محيط مي باشد.
3- مقاومت به آفات و بيماري:
براي دستيابي به حداكثر توليد، مقاوم بودن به آفات و بيماريها ضروري است علفهاي هرز، حشرات بيماريهاي باكتريايي و ويروسي در مقاطع مختلف از مرحله رشد گياه بيشترين خسارت را به محصول وارد مي‌كند. اصلاحگران همراه سعي بر دستيابي به گياهان را دارند كه حاوي ژنهاي مطلوب به مقاومت به آفات و بيماريها هستند. علت مقاوم بودن بعضي از واريته‌ها را به مكانيزم فيزيولوژيكي فعال در برابر حمله آفات مي‌دانند به عنوان مثال تركيبي به نام فيتوالكين در لوبيا همراه در هنگام شيوع بيماري فوزاريوم از گياه ترشح مي‌شود كه باعث بلوكه شدن و توقف توسعه بيماري مي‌شود. به هر حال از برنامه‌هاي اصلاحي مهم ايجاد گياهان مقاوم مي‌باشد. مقاومت به آفات بيشترين بازده اقتصادي را براي كشاورزان نويد بخش است. مقاوم منجر به سرشكست شدن بسياري از هزينه‌هاي تحميلي به كشاورزان و بي‌نياز شدن به فعاليتهايي همچون سمپاش و آلودگي محيط زيست و مسائل باقيمانده سموم در بافت گياهان زراعي با مصرف خوراكي مي‌گردد.
4- مقاومت به تنشهاي محيطي
مقاومت از جمله عمده‌ترين اهداف اصلاح نباتات مي باشد. بيشتر توليدات در مناطق نامساعد سرما و شوري حاصل مي شود. و گياه مجبور است براي توليد كافي با اين شرايط نامساعد مقابله كند بعضي از واريته‌هاي گياهان در شرايط نامساعد محيطي و فقر حاصلخيزي خاك قادر هستند مقدار مناسبي محصول را در واحد سطح توليد كنند فلذا شناسايي ژنوتيپهاي مقاوم به تنشهاي محيطي از اصلي‌ترين راهكارهاي مناسب براي رفع معضل مذكور مي‌باشد.
توليد گياهان هاپلوئيد و دابل‌هاپلوئيدي
توليد هاپلوئيد و سپس دو برابر نمودن كروموزمهاي آن به ايجاد دابل هاپلوئيد مي‌انجامد كه سريعترين روش دستيابي به اينبريدينگ كامل در طي يك مرحله مي‌باشد. در روشهاي متداول بهنژادي گزينش داخل نتاج به عنوان يك معضل اصلاح‌كنندگان محسوب مي‌شود زيرا تعداد جمعيتهاي و مزارع مختص ارزيابي هر سال افزايش مي‌يابد. مهمترين روشهاي القائي توليد هاپلوئيد عبارتند از: 1- ميكروسپور (آندوژنز) 2- كشت گلچه 3- كشت بساك، تخمك (ژينوژنژ) كشت تخمك، دورگ‌گيري بين گونه‌اي
توليد هاپلوئيد به روش ميكروسپور يكي از كاراترين و معمولترين روش ايجاد هاپلوئيد مي‌باشد ميكروسپور دانه گرده‌اي است كه در مرحله ابتدائي نمو در محيط كشت، گياهچه هاپلوئيد را بوجود مي‌آورد، كشت بساك نيز معمولترين فرم كشت گرده است كه بساكها در مرحله نموي تك هسته‌اي انتخاب مي شود. توليد گياهان هاپلوئيد به تعداد زياد به روش كشت بساك بستگي دارد. ايجاد هاپلوئيد گندم توسط تلاقي گندم× ارزن و گندم × ذرت امكانپذير مي‌باشد.
تكنيكهاي دو برابر كردن مجموعه كروموزمي (ژنوم) هاپلوئيد‌ها براي تهيه گياهان صد در صد خالص (دابل هاپلوئيد) نقش اساس را ايفا مي‌كند. مكانيزمهاي دو برابر شدن ژنوم ميكروسپوربه دو پديده اتحاد هسته‌اي و دو برابر شدن ميتوزي يا داخلي نسبت داده مي‌شود. در طرحهاي بهنژادي گياهان خود گشن به تعداد نسبتاً زيادي گياه دابل هاپلوئيد جهت گزينش بهترين لاين نياز مي‌باشد. براي ايجاد لاينهاي اينبرد به روش دابل‌هاپلوئيدي در گياهان دگرگشن نيز تعداد زيادي لاين مورد احتياج مي‌باشد.
كل‌شي‌سين مهمترين عامل شيميايي دو برابر نمودن كروموزومي است كه در سطح وسيعي بكار مي رود. كل‌سي‌سين بازدارنده رشته هاي دوكي شكل وعمل كننده در سلولهاي در حال تقسيم گياهان مي باشد. به ططور دقيق تر كل‌شي‌سين از تشكيل ميكرو بتولها از طريق پيوند با زير واحد پروتئين ميكروبولي ها به نام تيوبولين ممانعت مي كند لذا كروموزمها در مرحله متافاز يك جا وارد يك سلول مي گردند كه نتيجتاًَ تعداد كروموزوم سلول حاصل از تقسيم دو برابر مي گردد. گياهان هاپلوئيد در تعدادي از گونه هاي زراعي شامل پنبه، توت فرنگي ، گوجه فرنگي، جو و توتون و سيب زميني و برنج و گندم و بعضي از گياهان ديگر توليد شده اند.
اينتروگرسيون :
فرايند اينترگرسيون ، به معناي وارد كردن قسنتي از مواد ژنتيكي يك گونه به گونه ديگر مي تواند توسط تلاقي هاي برگشتي مكرر F1 بين گونه اي با يكي از والدين انجام مي شود. در اكثر موارد از اينتروگرسيون به منظور انتقال ژنهاي مقاوم به بيماري از ساير گونه ها به گونه هاي زراعي كه فاقد ژن مقاوم هستند استفاده مي شود.
اصلاح گياهان با استفاده از موتاسيون :
به نظر مي رسد تنوع ژنتيكي حاصل از موتاسيون مصنوعي با تنوع حاصل از موتاسيون طبيعي يكسان باشد. بنابراين اصول اساسي استفاده از تنوع حاصله از موتاسيون مصنوعي ÿا تنوع حاصل از موتاسيون طبيعي يكسان است. اصلاح كننده بايستي با عوامل موتاژن كاربرد آنها و نحوه ايجاد موتاسيون آشنا بوده و به تشخيص گيا هان موتانت قادر و امكانات و وسايل لازم را دارا باشد. به طور كلي دو عامل فيزيكي و شيميايي در ايجاد موتاسيون دخالت دارند موتاژنهاي فيزيكي شامل اشعه ايكس ، گاما، نوترون و UV مي باشد. اكثراًَ‌اصلاحگران به اين موتاژنها دسترسي ندارند لذا از مواد شيميايي عمدتاًَ استفاده مي كنند.
هيبريداسيون :
هيبريداسيون يكي از ابزارهاي متداول اصلاح نباتات كلاسيك مي باشد كه در واقع به تلاقي بين دو واريته براي دستيابي به ژنوتيپ برتر اطلاق مي شود. يك برنامه هيبريداسيون ممكن است به واريته هاي داخل يك گونه يا بين والدين چند جنس مختلف صورت پذيرد. اصلاحگران بعد از هيبريداسيون در جستجوي ژنوتيپهاي برتر هموزيگوت نيست بلكه سعي مي كنند كه مجموعه اي از ژنهاي را انتخاب كنند كه داراي اثر متقابل ژنتيكي مفيد و اثرات هتروزيس هستند. وجود پديده هيبريداسيون امكان انتقال ژنهاي مفيد از يك گونه به گونه ديگر را فراهم مي كند. هيچ پديده اي در علم اصلاح نتوانسته تاثير ي مانند واريته هاي هيبريد روي افزايش مواد غذايي در دنيا بگذارد. واريته هاي هيبريد به جامعه F1 كه براي استفاده تجاري توليد مي شوند اطلاق مي شود يكي از روشهاي هيبريداسيون ، دابل كراس مي باشد كه به خوبي نتايج مطلوب پيامد خود را به ثبات رسانده است .
كشت بافت گياهي :
كشت بافت فرايندي است كه در آن قطعات كوچكي از بافت زنده از گياهي جدا شده و به مدت كشت نا محدودي در يك محيط مغذي رشد داده مي شود. براي انجام كشت سلولي موفق بهترين حالت آن است اين عمل با كشت بخشي از گياه كه حاوي سلولهاي تمايز نيافته است آغاز مي شود زيرا چنين سلولهايي مي تواند به سرعت تكثير يابند. قطعات گياه در محيط كشت مي تواند به طور نا محدودي رشد كرده و توده سلولي تمايز نيافته به نام كالوس مي كنند بر اينكه سلول گياهي نمو كند و به كالوس تبديل شوند لازم است كه محيط كشت حاوي هورمونهاي گياهي مانند اكسين، سيتوكسين و جبيرلين باشد.
كاربردهاي كشت بافت هاي سلولي :
1- توليد مواد شيميايي
گياهان به عنوان منبع مهمي از مواد پيشتاز فراورده هايي كه در صنايع مختلف مانند داروسازي، صنايع غذايي و آرايشي و بهداشتي و كشاورزي مورد استفاده اند.
2- گياهان عاري از عوامل بيماريزايي گياهي
غلات ممكن است توسط گونه هاي زيادي از آفات ميكروبي ، ويروس، باكتريائي و قارچي آلوده مي شوند. اين آلودگيها تا حد زيادي موجب كاهش توليد فراورده كيفيت آن و توان گياه مي شوند. آلودگي در درختان ميوه بازده محصول را تا 90% كم مي كند. اساس به دست آوردن گياهان بدون ويروس كشت مريستم انتهايي آنهاست با كشت قطعه كوچكي از مريستم مي توان كالوس بدون ويروس تهيه كرد.
مواد گياهي كه از طريق كشت بافت تكثير مي شوند تغييرات ژنتيكي بالايي را نشان مي دهند. زماني كه از كشت كالوس مرتباًَ زير كشت گرفته شود گياهان حاصل سطح پلوئيدي متفاوتي را نشان مي دهند و همينطور كه بحث خواهد شد اين تغييرات ناشي از كشت بافت مي تواند تنوع ژنتيكي جديدي را در اختيار اصلاح كننده نباتات قرار دهد.
پروتوپلاست فيوژن :
اغلب ممكن است پيوند دو گانه گياه خويشاوند كه از نظر جنسي با هم سازگار نيستند مورد نظر باشد .بديهي است كه استفاده از روش آميزش جنسي كه معمولاًبراي پرورش گياه به كار برده مي شود در اين مورد ممكن نيست اما با هم در هم آميختگي و الحاق پروتوپلاست گياه مربوطه مي توان به همان مقصود نائل گرديد .
براي انجام اين كار دو روش اساسي وجود دارد.
در روش اول از مواد شيميائي مانند پلي اتيلن گليلول ،دكستران و اورنيتين به عنوان مواد ملحق كننده وممزوج كننده استفاده مي شود كه باعث تسريع در تركيب پروتوپلاسها مي گردد. از روش ديگري به نام امتزاج الكتريكي نيز مي توان استفاده كرد .در اين روش چسبندگي پروتوپلاسها در يك ميدان الكتريكي غير يكنواخت به وقوع مي پيوندد و در هم آميختگي هنگامي روي مي دهد كه ضربان يا تناوب كوتاهي از جريان مستقيم به كار برده مي شود پس از در هم آميختگي مجموعه هاي ژني هسته و سيتوپلاسم مجدداًبا هم تركيب مي شوند ودر نتيجه آرايش جديدي از تر كيب ژنها به وجود مي آيد.
تغيير در تعداد و ساختار كروموزوم (مهندسي كروموزوم):
اتو پلي پلوئيدي:
اتوپلي ئيدي در طبيعت به عنوان مكانيسمي براي بهبود اطلاعات ژنتيكي اتفاق مي افتد. اتوتترا پلوئيد است و ارقام تجاري موزوبعضي از سيب ها اتوتريلوئيدهستند. در بعضي گونه هاي گياهي افزايش معقول در تعداد ژنوم با افزايش در اندازه سلول و بزرگترشدن اندامها همراه است . براي مثال تريپلوئيد از بنيه بهتري برخوردارند و در مقايسه با سيب هاي ديپلوئيد ميوه هاي بزرگتري مي دهند از اتو پلي پلوئيدي براي توليد ميوه و گلهاي بزرگ نيز استفاده شده است. در برنامه هاي اصلاحي اتو پلوئيدهاي مصنوعي دو هدف مهم در نظر گرفته مي شود:
1)توليد يك ژنوتبپ يا تركيبي از ژنوتيپها كه برتر از بهترين ديپلوئيدها در بعضي از صفات مهم باشند
2)افزايش باروري در نباتات بذري
2-آلوپلوئيدي:
بنا به تعريف يك گياه آلوپلوئيد از تركيب و دو برابر نمودن دو يا چند ژنوم متفاوت توليد مي شود .تفاوت بين دو ژنوم مختلف بستگي به رفتاركروموزمها در تقسيم كاهش كروموزومي دارد. براي توليد آلو پلوئيدها از دو برابر نمودن تعداد كروموزومهاي هيبريد استفاده مي شود. آلوپلوئيدها غالباً تتراپلوئيد يا هگزا پلوئيد بوده واز تركيب ژنومهاي دو وسه گونه ديپلوئيد به وجود مي آيد .گندم بهترين نمونه آلوپلوئيدي در غلات است. گونه هاي گندمي كه داراي 21 جفت كروموزم هستند از تلاقي بين گونه هاي تترا پلوئيد اهلي وگونه ديپلوئيد وحشي به وجود آمده اند.
3-آنيوپلوئيدها:
تغييرات كروموزمي را كه شامل يك يا چند كروموزم باشد آنيوپلوئيدي مي گويند. اهميت آنيوپلوئيدي در تكامل گياهان كمتر از پلي پلوئيدي بوده و زمان لازم براي تكامل واهلي شدن گياهان آنيوپلوئيد طولاني تر از گياهان پلي پلوئيد است .حالات نالي زومي ،مونوزومي،تري زومي ،تترازومي از فرمهاي مختلف آنيوپلوئيدي هستند.
نشانگرهاي مولكولي:
بسياري از محدوديتهاي روشهاي مختلف اصلاح نباتات ريشه در فقدان ابزارهاي مناسب براي مطالعات ژنتيكي دارد .وجود ماهيت كمي صفات اقتصادي در محصولات كشاورزي موجب شد كه محيط بسياري ارز براوردهاي ارزشهاي اصلاحي را تحت تاًثير قرار دهد و لذا استفاده از ابزارهائي كه حداقل تاثير پذيري را از محيط دارند گام مؤثري در افزايش پيشرفتهاي ژنتيكي مورد استفاده مي باشد. ماركرهاي مولكولي و اخير نشانگرهاي DNA ابزار مناسبي هستند كه بر اساس آن مي توان جايگاه ژني وكروموزمي ژنهاي تعيين كننده صفات مطلوب را شناسائي كرد. با دانستن جايگاه يك ژن روي كروموزم مي توان از نشانگرهاي مجاور آن براي تائيد وجود صفت در نسلهاي تحت گزينش استفاده نمود.
با در دست داشتن تعداد زيادتر نشانگر مي توان نقشه هاي ژنتيكي كاملتري را تهيه نمود كه پوشش كاملي را در تمام كروموزمهاي گياهان به وجود مي آورد.استفاده از نشانگرها موجب افزايش اطلاعات مفيد و مناسب از جنبه هاي پايه وكاربردي اصلاح نباتات خواهد گرديد .
انتخاب به كمك نشانگرهاي مولكولي راه حلي است كه دست آورد زيست شناسان مولكولي براي متخصصان اصلاح نباتات مي باشد در اين روش ژن مورد نظر بر اساس پيوستگي كه با يك نشانگر ژنتيكي تشخيص داده و انتخاب مي شود و بنابراين به عنوان قدم اول در روش انتخاب به كمك نشانگر بايد نشانگرهاي پيوسته با ژنهاي مورد نظر شناسائي شود. يافتن نشانگرهائي كه فاصله آنها از ژن مطلوب كمتر از cm10مي‌باشد به طور تجربي نشان داده شده كه در اين صورت دقت انتخاب 99/75 درصد خواهد بود لذا داشتن نقشه هاي ژنتيك اشباع كه به طور متوسط داراي حداقل يك نشانگر به ازاي كمتر از cm10 فاصله روي كروموزمها باشد از ضروريات امر مي باشد.
يكي از پايه هاي اساسي اصلاح نباتات دسترسي وآگاهي از ميزان تنوع در مراحل مختلف پروژه هاي اصلاحي است . به همين جهت نشانگرهاي برآورد مناسبي از فواصل ژنتيكي بين واريته هاي مختلف را نشان مي دهند.
