سمینار " کاربرد بیوتکنولوژی در تولید گیاهان مقاوم به حشرات و آفات "
سمینار" کاربرد بیوتکنولوژی در تولید گیاهان مقاوم به حشرات و آفات "
مقدمه:
تاریخچه کشاورزی به حداقل 10000 سال پیش بر می گردد.در طی این مدت انسان همواره در جستجوی گونه های پرتوان گیاهان بوده،گونه هایی که کیفیت غذایی بهتری داشته باشند،محصول بیشتری بدهند یا کاشت و برداشت آنها راحت تر باشد.
در طی چند هزار سال اول،توسعه کشاورزی به طور تصادفی بود،اما در قرن های اخیر گونه های جدید از کشت برنامه ریزی شده حاصل شده اند.
ایجاد گونه های جدید محصولات کشاورزی،نیازمند ترکیب دقیق ویژگی های مورد نظر خواهد بود که فرآیندی مشکل و زمان بر است.
دو استراژی عمومی برای این کار استفاده می شود:
1.اضافه کردن ژن ها
2.حذف ژن ها
گیاهان طعمه موجودات زنده دیگری مثل ویروسها،باکتریها،قارچهاوحیوانات هستند،اما بزرگترین مشکل در کشاورزی به وسیله حشرات ایجاد میشود.برای
کاهش خسارت معمولا"محصولات کشاورزی رابطورمرتب سمپاشی میکنند:
1.سموم غیر اختصاصی
2.حشره کشها
3.مواد شیمیائی
4.حشراتی که درون گیاهان زندگی میکنند
بیوتکنولوژی کشاورزی
عمده‌ترین کاربردهای بیوتکنولوژی درکشاورزی را می‌توان به دسته‌های زیر تقسیم کرد.
• ایجاد گیاهان مقاوم به حشرات و آفتها
• ایجاد گیاهان مقاوم به علف‌کشها
• ایجاد گیاهان مقاوم به بیماریهای ویروسی و قارچی
• ایجاد گیاهان مقاوم به شرایط سخت مانند سرما، گرما و شوری
• ایجاد گیاهان دارای ارزشهای غذائی ویژه
• ایجاد گیاهان دارای خاصیت درمانی ـ پیشگیری
• ایجاد گیاهان دارای خصوصیت متابولیکی تغییر یافته مانند رشد سریع و راندمان‌کشت بالاتر
• ایجاد گیاهان و میوه‌های دارای زمان ماندگاری بیشتر
گیاهان‌مقاوم به حشرات و آفتها
باتوسعه تکنیکهای بیوتکنولوژی دانشمندان‌قادرند ژنهائی از یک موجود زنده را به موجود دیگری انتقال دهند. در سال 1990اولین گیاه ترانسژنیک در مزرعه واقعی کشت گردید و در 1993 FDAگیاهان و غذاهای ترانسژنیک را بعنوان مواد اساساً بی‌ضررمعرفی کرد.
هم‌اکنون با استفاده از این تکنیکها ژن‌های‌مربوط به تولید یک پروتئین سمی (بتاتوکسین) از باکتری باسیلوس تورانجینسیس‌به گیاهان متعددی از قبیل ذرت، پنبه و سیب‌زمینی و... انتقال یافته است وبدینوسیله این گیاهان به حشراتی که علاقه به تغذیه از آنها را دارندمقاوم گشته‌اند. چرا که بمحض استفاده حشرات از این گیاه بدلیل نابودی‌دستگاه گوارش آنها از بین خواهند رفت. هرساله هزینه‌های هنگفتی بابت مبارزه شیمیائی با این آفات صورت می‌گیرد که علاوه بر هزینه‌بری زیاد آلودگیهای زیست محیطی فراوانی را به‌دنبال دارد. راندمان این مواد شیمیایی نیز بدلیل ایجاد مقاومت در حشرات در برابر سموم به مرور پایین آمده است و بهمین خاطرنیاز به تعویض مکرر این آفت‌کش‌ها وجود دارد. هم‌اکنون در آمریکا ذرت و پنبه و سیب‌زمینی ترانسژنیک تا میزان زیادی مورد استقبال واقع شده است بطوریکه تا سال 1998حدود 18% از ذرت و 17% از پنبه و 4% از سیب‌زمینی کشت داده شده در آمریکا ازنوع ترانسژنیک بوده است و هم‌اکنون براساس روند رشد موجود برآورد میشود که‌بیش از 50% غلات کشت داده شده در آمریکا از نوع ترانسژنیک باشند.
حشرات علاوه بر گیاهان از باکتریها نیز تغذیه می کنند.
که همین کمک بزرگی برای شناسائی نوعی سم که تاثیر گذار برروی حشرات میباشد.
مثال بارز:
باکتری (باسیلوس تورینژینسیس)
این باکتری طی اسپورزایی اجسام بلورین درون سلولی
تولید میکنند،که این اجسام حاوییک پروتئین ضد حشره بنام (دلتا-اندوتوکسین)است.
پروتئین دلتا توکسین:
1.سمی است که 80000 برابراز حشره کشهای معمولی سمی تر است.
2.اختصاصی عمل میکند.
3.انواع پروتئینها توسط باکتری تولید میشودکه برای بررسی لارو حشرات مختلف موثر میباشد.
چگونگی عمل سم:
پرتئین(دلتا-اندوتوکسین)بصدرت یک پرتئین پیش ساز غیر فعال در باکتری تجمع می یابد سپس وارد بدن حشره میشودکه در هنگام حضم توسط پروتئازهای
حشره خرد میشودویک پرتئین کوچکترایجاد میکندکه ویژگی سمی را بروز میدهد.
با اتصال پروتئین به دستگاه گوارش حشره وآسیب رساندن به(اپیتلیوم)سطحی،موجب ناتوانی حشره در تغذیه در نتیجه گرسنگی ودنهایت مرک حشره میشود.
از این ویژگی سم برای تولید گیاهان مقاوم در برابر حشرات استفاده گردید از جمله گیاه ذرت:
ذرت از جمله محصولاتی است که نمیتوان آنرابا استفاده از حشره کشهای معمول حفاظت کرد.آفت اصلی ذرت،حشره حفاری کننده اروپائی(ostrinia nubilialis)
است که تخمهایش رادرسطح زیرین برگ میگذاردولاروهایش باعث ایجاد تونل در گیاه میشوند.بنابر این از معرض حشره کشهائی که روی گیاه پاشیده میشوند در امان میمانند.
درسال1993بیو تکنولوژیستهاازطزیق مهندسی گیاهان ژنتیک پروتئین(دلتا-اندوتوکسین)را در گیاه تولید کردنند.
چگونگی تولید(دلتا-اندوتوکسین)در گیاه ذرت بصورت زیر میباشد:
_روی ژن(CryIA(b))از سم(دلتا-اندوتوکسین)کار کردنند.
_این قطعه ژن تولیدپروتئین CryIA(b))میکند.
_باروش ساخت ژن مصنوعی،پروتئن را وارد گیاه ذرت میکنند.
_ژن مصنوعی در گیاه ذرت بیان میشود.
_نهایتادر گیاه ذرت سم تولید میشود.
_حال ذرتی تولیدمیشود که خود خاصیت حشره کشی دارد.
گیاهان‌مقاوم به بیماریهای ویروسی و قارچی
بیماریهای ویروسی و قارچی از مهمترین‌بیماریهای گیاهی هستند که علاوه بر وارد کردن خسارات زیاد به محصولات‌کشاورزی مانع کشت آنها در بسیاری از شرایط آب و هوائی میشود. با کلون کردن برخی ژنهای گیاهان مقاوم درگیاهان حساس مانند ژنهای کیتنیاز و 1 و 3 گلوکاناز که باعث تخریب دیواره پلی‌ساکاریدی قارچهای پاتوژن میشوند بیوتکنولوژیستها به گیاهانی دست‌یافته‌اند که مقاوم به قارچهای پاتوژن می‌باشند. همچنین با کلون کردن ژنهای جانوری و انجام‌اقداماتی شبیه واکسیناسیون می‌توان به گیاهان مقاوم به ویروس نیز دست‌یافت. روشهای مبارزه بیولوژیک بسیار متعدد و متنوع بوده و موارد بالا تنها مثالهائی از این دست می‌باشند.
گیاهان‌مقاوم به علف‌کشها
روشهای رایج مبارزه با علفهای هرزبه‌نحوی که باید انتخابی نیست و علف‌کشها در موارد زیادی علاوه بر نابودی‌علفها به گیاهان زراعی نیز آسیب می‌زنند. بعنوان مثال Glyphosate که یک علف‌کش کارآمد است می‌تواند گیاهانی را که دارای سیر متابولیکی Shikamate هستند را نیز نابود کند.بهمین منظور بیوتکنولوژیستها با وارد کردن ژن مقاومت گلیفوسیت EPSP سنتتاز به گیاهانی‌مانند چغندرقند، سویا، پنبه، گوجه‌فرنگی و تنباکو آنها را در برابر علف‌کشها مقاوم کرده‌اند.
گیاهان‌تحمل کننده شرایط سخت
ارزش گیاهانی که بتوانند در خاکهای شور با حرارت بالا، سرمای زیاد و... رشد کنند برکسی پوشیده نیست. بیش از 13درصد زمینهای قابل آبیاری جهان دارای درصد غیرقابل تحمل نمک در خود هستند. بیوتکنولوژیستها با بررسی گیاهانی که بصورت خودرو در شرایط سخت مانند فشاراسمزی بالا، سرمای زیاد، گرمان فراوان و... رشد میکنند به ژنهائی دست‌یافته‌اند که عامل مقاومت این گیاهان در برابر این شرایط سخت میباشد. با انتقال این ژنها گیاهان متعددی تولید شده‌اند که قادرند در خاکهای نامناسب با املاح زیاد رشد کنند. بعنوان مثال با انتقال ژنهای مسئول انتقال‌یونهای سدیم بداخل گیاهانی مانند آرابیدوپسیس سطح تحمل این گیاه تا 200میلی مولار نمک افزایش پیدا کرده است. همچنین با خاموش کردن سیستم بیان ژنهای سنتز کننده اسیدهای چرب‌تری ئنوئیک در گیاهان بیوتکنولوژیستها توانسته‌اند تا این‌گیاهان را در دماهای بالاتر از حد معمول رشد دهند.
همچنین با انتقال ژنهای مسئول تولید نوعی‌پروتئین ضدیخ که در ماهیهای آب‌های قطبی یافت میشود به گیاهان، باعث ایجاد مقاومت در برابر سرمای زیاد در این گیاهان شده‌اند.
گیاهانی‌که دارای ارزش ویژه‌ای هستند
هرماد‌ه با ارزشی که در درون یک گیاه یا هر موجود زنده دیگر ساخته شده و تجمع می‌یابد بواسطه عملکرد ژنهای مسئول‌سنتز آن ماده میباشد. بیوتکنولوژیستها با شناسائی این ژنها و افزایش قدرت‌بیان این ژنها و یا افزایش تعداد نسخه‌های این ژنها در یک گیاه می‌توانندگیاهان و میوه‌هائی تولید کنند که دارای ارزشهای غذائی ویژه‌ای هستند. بهمین سبب اصطلاح جدید NutritionalGenomics وضع شده است که نشان دهنده کاربرد ژنها در بهبود تغذیه انسان و دام است. بعنوان مثال «برنج طلائی» برنجی است که دارای مقادیر بسیار زیادی از ویتامین A میباشد. این برنج‌مایه امیدی برای نجات هزاران آفریقائی، که هرساله در اثر کمبود ویتامین A به کوری کامل مبتلا میشوند، شده است.
همچنین بدلیل پایین بودن میکرونوترنیت‌ها درعلوفه دامها، انتقال ژنهای مسئول متراکم ساختن آنها در گیاهان علوفه‌ای نقش مؤثری در تغذیه دامها و انسان خواهد داشت.
گیاهانی‌که دارای خصوصیت متابولیکی تغییر یافته هستند
افزایش سرعت رشد جمعیت انسانی در سالهای‌اخیر برکسی پوشیده نیست، لیکن افزایش سرعت تولید محصولات کشاورزی پابه‌پای آن رشد نکرده است. تا سال 2020 نیاز به افزایش 40 درصدی در راندمان کشت‌برنج وجود دارد. بیوتکنولوژیستها بدو طریق باعث کاهش فاصله این دو مقوله ازیکدیگر خواهند شد. اول با افزایش راندمان کشت محصولات کشاورزی در هرهکتار و دوم با افزایش سرعت رشد گیاهان بعنوان مثال ژنهائی که مسئول کنترل قد درکوتاه شدن آن در گیاهان هستند بطور غیرمستقیم باعث افزایش راندمان محصول‌می‌شوند. با انتقال این ژنها در گونه‌های فاقد آن باعث افزایش راندمان‌گردیده‌اند. همچنین با انتقال ژنهای مسئول فتوسنتز درذرت به برنج توانسته‌اند راندمان تولید برنج را تا 35% افزایش دهند. همچنین با دستکاریهای ژنتیکی در سلولهای‌درختانی که از چوب آنها استفاده می‌گردد باعث افزایش سرعت رشد آنها تا حد قابل توجهی شده‌اند که این امر می‌تواند روند تخریب جنگلها را متوقف سازد.آیا قبول دارید درصورتیکه میوه‌هائی مانندگوجه‌فرنگی زمان ماندگاری بیشتری داشته باشند چقدر در کاهش ضایعات این‌میوه مؤثر خواهد بود. بیوتکنولوژیستها با به تأخیر انداختن سرعت رسیدن‌گوجه‌فرنگی به این امر دسترسی پیدا کرده‌اند.
گیاهانی‌که دارای خاصیت درمانی یا پیشگیری هستند
بیوتکنولوژیستها با انتقال ژنهای مسئول سنتز پروتئینهای مختلف میکروبی و انسانی به گیاهان و تولید این پروتئینها درگیاهان دست به ابتکارات مؤثری زده‌اند. بعنوان مثال تولید واکسنهای مختلف‌در گیاهان و ایجاد میوه‌هائی که دارای خاصیت واکسیناسیون هستند. و یا امکان‌تولید پروتئینهائی مثل انسولین در گیاهان که در آیندة بسیار نزدیک به تحقق‌خواهد پیوست باعث انقلابی در این زمینه خواهد شد. همچنین گیاهان بعنوان ارگانیسم‌های کاندیدبرای تولید پروتئینهائی مانند آنتی‌بادیها و آنزیمها و... در مقیاس بسیار بالادر نظر گرفته شده‌اند و عملاً کارآئی خود را در این زمینه نشان داده‌اند.
گردآوری: فاطمه فرهادی
این وبلاگ توسط دکترای سم شناسی دانشگاه تهران نوشته می شود. استفاده از مطالب وبلاگ با ذکر منبع آزاد است.