ahoo
11-09-2009, 11:14 PM
اهميت بيوتكنولوژي گياهي و حوزههاي مختلف كاربرد آن
كاربرد بيوتكنولوژي در افزايش كميت و كيفيت محصولات كشاورزي، از مهمترين حوزههاي بيوتكنوژي نوين به خصوص براي كشورهاي در حال توسعه و پرجمعيت ميباشد. اين مقاله سعي دارد، مهمترين كاربردهاي بيوتكنولوژي در زمينه علوم گياهي را در قالب عناوين زير به طور اجمال معرفي كرده و تحليلي دربارة ضرورت توجه به اين حوزه از تكنولوژي‌هاي نو ارائه نمايد:
ابعاد اقتصادي بيوتكنولوژي در حوزه كشاورزي
حوزههاي مختلف بيوتكنولوژي گياهي نوين
الف) مهندسي ژنتيك و ديانآي نوتركيب
گياهان تراريخته و اهميت اقتصادي آنها
مثالهايي از كاهش خسارات آفات
زمينههاي مختلف كاربرد گياهان تراريخته
ب) كاربرد نشانگرهاي مولكولي
ج) كشت سلولها و بافتهاي گياهي
برخي كاربردهاي كشت بافت گياهي
مقدمه
بر اساس گزارشات سازمان ملل، حدود 800 ميليون نفر از جمعيت جهان (14 درصد) دچار فقر غذايي هستند كه تا سال 2020 به يك ميليارد نفر خواهند رسيد. تخريب روزافزون جنگلها، مراتع و فضاي سبز، گسترش بيابانها، نابودي گونههاي متنوع گياهي و جانوري، مقاوم شدن آفات و عوامل بيماريزا به سموم و بروز بسياري مسائل جدي ديگر هر روز ابعاد گستردهتري مي‌يابد.
از سوي ديگر، بشر با استفاده نسبتاً كامل از امكانات موجود، امروزه براي افزايش توليدات كشاورزي با محدوديت منابع روبرو ميباشد. بنابراين رشد سريع جمعيت و محدوديت منابع، نسل بشر را با خطر گرسنگي و كمبود امكانات بهداشتي مواجه نموده است. از طرفي، فناوري‌هاي سنتي و بومي كشاورزي به مرز محدوديتهاي خود نزديك شدهاند و انسان نيازمند بكارگيري فناوري‌هايي است كه از پتانسيل بيشتري برخوردار باشند.
در چنين شرايطي، فناوري‌هايي مورد نياز هستند كه قابليت توليد گياهان، دامها و بطور كلي موجوداتي با ويژگي‌هاي برتر را داشته باشند، گياهاني با قابليت تحمل به تنشهاي زيستي و بطور اخص شوري و خشكي توليد كنند، دامها را به شيوهاي دقيق و كيفي در مقابل بيماري‌هاي مهلك ايمن نمايند و در نهايت امنيت غذايي و به تبع آن امنيت اقتصادي و اجتماعي را به ارمغان آورند. نمونه بارز چنين فناوري‌هايي، "فناوري زيستي (بيوتكنولوژي)" است كه قابليت بهبود ژنتيك گياهان زراعي و باغي، دام، آبزيان و بطور كلي سازوارهها (ارگانيزم‌ها) و ريزسازوارهها (ميكروارگانيزم‌ها) را داراست.
دستاوردها و تحولات گسترده علمي و تكنولوژيك جهان كه در نيمه دوم قرن بيستم (از اواسط دهه 1970 ميلادي) به خصوص در حوزه علوم و فناوري‌زيستي به وقوع پيوست، نويدبخش توانمندي‌هاي جديدي در اين عرصه بود و امروزه اميدهاي فراواني را در دل دولتمردان كشورهاي جهان ايجاد كرده است. بيوتكنولوژي و فناوري ژن با ارايه مسيرهاي راهبردي، اين اميد را به‌وجود آورده‌اند كه ميتوان جهان را از كابوس فقر و گرسنگي رها ساخت و امنيت غذايي و بهداشتي را براي جهانيان به ارمغان آورد. بنابراين بشر امروزه با بهره‌گيري از دانش ژنتيك، به قابليت‌هاي شگفت‌انگيز طبيعت و موجودات زنده پي برده و بر آن است تا از همين قابليت‌هاي ذاتي براي رفع معضلات زيستي استفاده كند.
بر اساس پيشبينيهاي بسياري از متخصصين و صاحب‌نظران از جمله انجمن بينالمللي علم و توسعه، جمعيت جهان در سال 2050 به 11 ميليارد نفر خواهد رسيد و ميزان توليدات غذايي بايد در آن زمان به سه برابر مقدار كنوني افزايش يابد كه بدون فناوري زيستي ميسر نخواهد بود. بيوتكنولوژي و مهندسي ژنتيك ميتواند در جهت بهرهوري بيشتر از منابع زيستي، حفظ محيط‌زيست و در نتيجه توسعه پايدار مؤثر واقع شود.
ابعاد اقتصادي بيوتكنولوژي در حوزه كشاورزي
ابعاد اقتصادي بيوتكنولوژي در حوزه كشاورزي بسيار چشمگير بوده است. بسياري از صاحب‌نظران معتقدند سده بيستويكم، قرن حاكميت و شكوفايي فناوري زيستي است و اين فناوري را عامل دومين انقلاب سبز در آينده به حساب مي‌آورند. به مدد اين فناوري نوين، پتانسيل قابل‌توجهي در علوم زيستشناسي پايه، صنايع كشاورزي، پزشكي و داروسازي، فرآوري غذايي و صنايع شيميايي پديد آمده است.
كاربرد بيوتكنولوژي در كشاورزي به خصوص براي كشورهاي در حال توسعه، چشم‌انداز روشن و بسيار اميدوار‌كننده‌‌اي ترسيم نموده است. طبق مطالعه‌اي كه در سال 1985 صورت گرفت، تأثير بيوتكنولوژي بر كشاورزي در كشورهاي در حال توسعه، در سال 2008 احساس خواهد شد. طبق گزارش سازمان همكاري و توسعه اقتصادي (OECD) در دهة 1980، ميزان اكتشافات در مورد بيوتكنولوژي موادغذايي و كشاورزي، سريع‌تر از آن بود كه تصور مي‌رفت. بازار جهاني بيوتكنولوژي كشاورزي در سال 1997 حدود 4 ميليارد دلار بود و در سال 2002 حدود 4،8 ميليارد دلار پيش‌بيني شده است. امروزه دولت‌ها و صنايع به اين نتيجه رسيده‌اند كه بايد مردم را بيشتر با بيوتكنولوژي كشاورزي آشنا كنند و براي اين‌‌كار، همكاري متخصصين و علاقه‌مندي غيرمتخصصين و اعتماد مردم را لازم مي‌دانند.
بيوتكنولوژي امكاناتي را فراهم مي‌آورد كه از طريق روشهاي سنتي قابل دسترس نيستند. لذا بكارگيري اين فناوري در كشاورزي ميتواند با هدف بهرهوري بيشتر از منابع موجود، كشاورزي پايدار، سلامت محيط‌زيست و در جهت كمك به روشهاي سنتي "بهنژادي"، موثر واقع شود. به طور كلي، استفاده از فناوري‌زيستي در كنار روشهاي سنتي (كلاسيك) باعث تسريع در دستيابي به اهداف "بهنژادي" و تأمين احتياجات كمي وكيفي بشر در آينده خواهد بود. در عين حال هيچگاه نبايد اين فناوري به عنوان جايگزين روشهاي سنتي و معمول "بهنژادي" قلمداد شود، بلكه اين دو مكمل يكديگر هستند.
حوزههاي مختلف بيوتكنولوژي گياهي نوين
به‌طور كلي بيوتكنولوژي نوين از سه ابزار مهم زير در زمينه كشاورزي بهره مي‌گيرد:
الف) مهندسي ژنتيك و دي-ان-آي نوتركيب
ب) كاربرد نشانگرهاي مولكولي (پروتئين و دي-ان-آ)
ج) كشت سلولها، اندام‌ها و بافتهاي گياهي
اين نوشتار سعي دارد مهمترين حوزههاي كاربرد بيوتكنولوژي گياهي را در قالب سه مورد فوق‌الذكر به طور اجمال معرفي كند كه ميتواند تحليلي دربارة ضرورت توجه به اين حوزه از تكنولوژي‌هاي نو ارائه نمايد.
با توجه به اهميت فناوري‌زيستي ابعاد اقتصادي، اجتماعي و حتي سياسي، شايسته است كه مسئولين علمي و سياسي كشور بيش از پيش به حمايت و سرمايه‌گذاري در اين زمينه توجه نمايند. همچنين لازم است، برنامه‌ريزان و تصميم‌سازان استراتژي ملي توسعه كشور نسبت به اولويت‌دادن به آموزش‌ها و پژوهش‌هاي نوين بنيادي و كاربردي در عرصة بيوتكنولوژي و مهندسي ژنتيك و ارايه تمهيدات و راهكارهاي بهره‌برداري تجاري از فراورده‌هاي آن، اقدام لازم را به عمل آورند.
الف) مهندسي ژنتيك و ديانآي نوتركيب
مهندسي ژنتيك، پيچيده‌ترين شاخه بيوتكنولوژي است كه روشهاي مبتني بر ژنتيك سلولي و مولكولي، نشانگرهاي مولكولي، كشت سلول و بافت، ميكروبيولوژي و بيوشيمي را در بر مي‌گيرد. به طوركلي مهندسي ژنتيك شامل استفاده از روشهاي انتخاب ژن موردنظر، جداسازي، خالص‌سازي، تكثير و انتقال ژن‌ها و ارزيابي بروز آنها در موجود زنده ميباشد. اين فناوري امكاناتي را فراهم مي‌آورد كه با روشهاي سنتي (كلاسيك) امكانپذير نيست.
مهندسي ژنتيك با رفع مشكل محدوديت تلاقيهاي جنسي توانسته است انتقال مستقيم و سريع ژنهاي جديد يا تغييريافته از منابع مختلف شامل گونههاي گياهي، حيوانات، باكتري‌ها، ويروسها و قارچ‌ها به يكديگر و از جمله گياهان را فراهم آورد؛ در حالي كه اين كار با روشهاي معمول و كلاسيك بهنژادي امكانپذير نيست. اين فناوري حتي ميتواند ژنهاي مصنوعي طراحي نمايد و به موجودات انتقال دهد. بنابراين تنوع در خزانه ژني (gene pool) را افزايش ميدهد.
به طور كلي دامنه مطالعات و كاربردهاي مهندسي ژنتيك شامل موارد زير ميباشد:
1- مطالعات بنيادي در زمينه زيستشناسي پايه و از جمله شناسايي، جداسازي و شناخت اجزاء ژن و عمل آنها، چگونگي فعاليت رونويسي، ترجمه و ابراز (بيان) ژن‌ها و بررسي فرآورده پروتئيني آنها، يكي از مهمترين نقاط تمركز پژوهش‌هاي مهندسي ژنتيك ميباشد.
2- توليد كاوشگرهاي تشخيصي (diagnostic probes) جهت شناسايي توالي‌‌هاي مشابه كه در مطالعات بيوتكنولوژي و همچنين تشخيص صفات از قبيل مقاومت و يا حساسيت به آفات و بيماريها و شناخت ارقام هر گياه كاربرد دارد.
3- تراريزش يا انتقال ژن به روشهاي مهندسي ژنتيك (transformation) و توليد گياهان و جانوران تراريخته transgenic داراي صفات جديد و يا تغييريافته، امروزه يكي از مهمترين و كاربردي‌ترين استفاده‌هاي مهندسي ژنتيك در كشاورزي ميباشد و گياهان تراريخته مي‌توانند جهت استفاده‌هاي مستقيم يا غيرمستقيم غذا، علوفه و الياف بكار روند و يا اينكه در برنامههاي بهنژادي، توليد مواد دارويي و صنعتي استفاده شوند.
گياهان تراريخته (Transgenic Plants) و اهميت اقتصادي آنها:
فنون دست‌ورزي ژنتيكي گياهان در اوايل دهه 80 ميلادي ابداع گرديد و نتايج كاربردي آن از اوايل دهه 90 با ايجاد گياهان تراريخته مقاوم به آفات، بيماريها و علفكشها به ثمر نشست. اكنون حدود دو دهه از پيدايش فنون ديانآي نوتركيب و مهندسي ژنتيك گياهي مي‌گذرد. در اين مدت سرمايه‌گذاري‌هاي هنگفت و تلاش فراواني در نقاط مختلف دنيا براي توسعه و بهبود اين فنون جهت دستيابي به اهداف موردنظر به‌عمل آمد. مهندسي ژنتيك، انقلاب سبزي را براي بهبود كمي و كيفي محصولات كشاورزي و غلبه بشر بر گرسنگي و فقر غذايي بنيان نهاده است.
دانشمندان با دستكاري ژنهاي يك گياه، جانور و ميكروارگانيسم، نژادهاي تراريختهاي از آن را به وجود مي‌آورند كه نسبت به نژاد طبيعي، به آفات و بيماريها و يا سموم مقاوم بوده، يا برخي عناصر غذايي و ويتامين‌ها را كه نوع طبيعي فاقد آن است، توليد مينمايد. لذا اين قبيل گياهان يا جانوران، محصول بيشتر و با كيفيت بهتري توليد ميكند. در دهه آينده اميد ميرود با استفاده از گياهان زراعي تراريخته، افزايش عملكرد از 10 به 25 درصد برسد.
از سال‌هاي 1982 و 1983 كه اولين انتقال موفقيت‌آميز ژن‌ها به سلول‌هاي گياهي انجام شد، سرعت پيشرفت ايجاد گياهان تراريخته افزايش يافت. اولين آزمايش مزرعهاي گياهان تراريخته در سال 1986 در كشور فرانسه انجام گرفت. اما استفاده عملي از گياهان تراريخته، زماني آغاز شد كه كشور چين تنباكو و گوجه‌فرنگي تراريخته مقاوم به ويروس را در پايان سال 1992 براي عرضه در بازار تصويب نمود و سپس گوجه‌فرنگي با قابليت انبارداري بيشتر توسط شركت كالگن آمريكا در سال 1994 معرفي شد. امروزه توليد گياهان تراريخته از عمده‌ترين كاربردهاي بيوتكنولوژي در كشاورزي ميباشد. در حال حاضر، انتقال ژن از طريق مهندسي ژنتيك و توليد گياهان تراريخته در مواردي همچون مقاومت به آفات، بيماريها، علفكشها، بهبود كيفيت پروتئين و روغن و غيره در بيش از 60 گياه زراعي، باغي و زينتي حاصل شده است و تعداد آنها با سرعت زيادي روز به روز افزايش مي‌يابد.
سطح زيركشت اين قبيل گياهان در جهان طي سال‌هاي اخير با روند تصاعدي افزايش يافته و از سال 96 تا 2001 حدود 30 برابر شده است (جدول 1). اكنون بيش از 25 درصد سطح‌كشت جهاني گياهان تراريخته در كشورهاي در حال توسعه قرار دارد. شمار كشورهايي كه گياهان زراعي تراريخته را كشت ميكنند، از يك كشور در سال 1992 به چهارده كشور در سال 2002 افزايش يافته است.
ميزان فروش محصولات گياهان تراريخته طي سال‌هاي 1995 تا 2000 به‌سرعت افزايش يافت (جدول 2). بازار جهاني گياهان تراريخته در سال 2001 از مرز سه ميليارد دلار گذشت و پيش‌بيني ميشود كه در سال 2005 و 2010 به ترتيب تا حد 6 و 20 ميليارد دلار افزايش يابد. سود حاصل از گياهان تراريخته طي سال 1999 حدود 700 ميليون دلار بود كه بيش از دو ميليون كشاورز از آن بهره‌مند شدهاند. در سال 2001 حدود پنجونيم ميليون كشاورز از كشت اين قبيل گياهان بهره برده‌اند. لذا اكنون مقبوليت گونههاي جديد زراعي، باغي و حتي دامهاي تراريخته نزد كشاورزان افزايش يافته است و اين خود موضوعي است كه دانشمندان را به سوي توليد فرآورده‌هاي نوين و با قابليت‌هاي بيشتر سوق ميدهد.
پيش‌بيني ميشود كه در سال 2025 حدود 1،6 ميليارد نفر در جهان از طريق مهندسي ژنتيك غلات تغذيه خواهند نمود. شركت زنكا (Zeneca) معتقد است كه بازار جهاني گياهان تراريخته در سال 2020 به 75 ميليارد دلار خواهد رسيد، لذا سرمايه‌گذاري در اين زمينه را از 20 ميليون دلار در سال 97 به 60 ميليون در سال 98 افزايش داد. شركت نوارتيس سوئيس نيز حدود 20 ميليون دلار طي سال‌هاي 99 و 2000 براي گسترش ساختمان موسسه تحقيقات بيوتكنولوژي خود هزينه نمود.
كاهش هزينه كشاورزان از طريق كنترل بهينة آفات، بيماريها، علف‌هاي هرز، كاهش مصرف سموم و افزايش كميت و كيفيت محصول، از جمله مزيت‌هاي حاصل از كاربرد گياهان تراريخته (تغييريافتة ژنتيك) ميباشد. گياهان تراريخته مقاوم به آفات و بيماري‌هاي شايع و خسارت‌زا قادرند خسارات ساليانه 30 درصدي محصولات كشاورزي را كاهش دهند؛ در نتيجه امروزه شاهد رويكرد كشاورزان در كشورهاي صنعتي به سوي كاشت و بهره‌برداري از اين قبيل گياهان هستيم. كاشت اين‌گونه گياهان، هزينههاي مبارزه شيميايي و كاربرد سموم دفع آفات نباتي را كاهش ميدهد. از سوي ديگر صدمات وارده به منابع زيستي مثل خاك و آب‌هاي زيرزميني را به حداقل مي‌رساند. براي روشن شدن مطلب به ذكر چند مثال زير بسنده ميشود:
مثالهايي از كاهش خسارات آفات
1- خسارت ناشي از كرم برگ‌خوار ذرت، ساليانه معادل 40 ميليون تن است كه اين ميزان قادر به تامين كالري لازم براي 60 ميليون نفر ميباشد. به‌كمك مهندسي ژنتيك ميتوان اين‌گونه خسارت‌ها را به حداقل ممكن كاهش داد.
2- تنباكو تراريخته مقاوم به ويروس در چين باعث شد تا عملكرد برگ آن 5 تا 7 برابر افزايش يابد و تعداد دفعات سمپاشي (بر عليه شته‌هاي ناقل) 3-2 بار كاهش يابد.
3- در آمريكا طي سال 1996 متوسط خسارت كرم اروپايي ذرت برابر 9 درصد بود و در بعضي مناطق به بيش از 30 درصد مي‌رسيد و متوسط ارزش خسارت برابر 1 ميليارد دلار بود. سود خالص از ذرت Bt مقاوم به اين آفت (بدون احتساب هزينههاي علفكش) برابر با 27.25 دلار در هر ايكر (واحد سطح) محاسبه شد. كل سود خالص حاصل از كاشت ذرت Bt در سال 1996 و 1997 در آمريكا به ترتيب 19 و 190 ميليون دلار بود.
4- سال 1996 در آمريكا كاشت سيبزميني Bt (مقاوم به سوسك كلرادو) به طور متوسط تعداد سمپاشي را به 1.2 دفعه كاهش داد كه متوسط پس‌انداز هزينه سمپاشي 5 دلار در هر ايكر (12 دلار در هكتار) بود. در مجموع با صرفه‌جويي در مصرف حشره‌كش، متوسط افزايش بازده كشاورزان با استفاده از سيبزميني Bt (در مقايسه با شاهد) برابر 14 دلار در ايكر بود (35 دلار در هر هكتار با احتساب افزايش عملكرد و كيفيت غده).
5- يك بررسي بر روي پنبه تراريخته Bt مقاوم به كرم غوزه طي سال 1996 در آمريكا نشان داد كه عملكرد در مقايسه با شاهد به طور متوسط 7 درصد افزايش مي‌يابد و حتي بسته به تراكم آفت اين افزايش تا 20درصد نيز مي‌رسيد. همچنين ميزان مصرف حشره‌كش 20000 گالن كاهش يافت. ميزان صرفه‌جويي ناشي از عدم به كارگيري حشره‌كش در هكتار معادل 140 تا 180 دلار در هكتار بود و افزايش هزينه خريد بذر در هر هكتار معادل 80 دلار بود. بنابراين متوسط سود خالص در هر هكتار حدود 80 دلار (33 دلار در هر ايكر) محاسبه گرديد. بنابراين سود حاصل از كاشت 1.8 ميليون ايكر پنبه Bt در سال 1996 براي كشاورزان آمريكايي برابر 60 ميليون دلار بود.
6- كل سود حاصل از كشت گياهان پنبه ، ذرت و سيب زميني Bt در آمريكا طي سال 1996 برابر 80 ميليون دلار بود و در سال 1997 ميلادي براي ذرت Bt به تنهايي معادل 190 ميليون دلار بود.
7- سال 1996 در كانادا متوسط عملكرد كلزاي متحمل به علفكش مقدار 9درصد بيشتر از تيمارهاي شاهد (روشهاي ديگر كنترل علف هرز) بود و حتي به بيش از 20درصد نيز مي‌رسيد. از طرفي ميزان مصرف سم از طريق كاهش تعداد دفعات سمپاشي (80 درصد كشاورزان تنها يك بار سمپاشي نمودند) از 570 گرم به 160 گرم ماده فعال در هر ايكر (1400 گرم در هر هكتار به 400 گرم) كاهش يافت. سود خالص حاصل در يك برآورد متوسط محافظه‌كارانه حدود 20 دلار در هر ايكر (50 دلار در هر هكتار) تخمين زده شد. بنابراين كل سود حاصل در 300 هزار ايكر كلزاي مقاوم به علفكش در كانادا برابر 6 ميليون دلار بود.
8- سويا مقاوم به علفكش نيز باعث كاهش 40-10 درصد از مصرف علفكش ميشود.
9- در استراليا، كشاورزان براي مبارزه با شپشك‌هاي نخود فرنگي هر ساله حدود 16 ميليون دلار حشره‌‌كش‌‌هاي شيميايي خريد مي‌‌نمايند. اين آفت مهمترين عامل كاهش در محصول 100 ميليون دلاري نخودفرنگي استراليا ميباشد. سازمان تحقيقات علمي و صنعتي اين كشور با انتقال يك ژن از لوبيا قرمز توانسته است نخود فرنگي تراريختهاي ايجاد نمايد كه حدود 99.5 درصد در برابر حمله شپشك‌‌ها مقاومت دارد.
زمينههاي مختلف كاربرد گياهان تراريخته:
1- مبارزه با آفات و بيماريها
يكي از رويكردهاي بيوتكنولوژي براي مبارزه با آفات و بيماري‌هاي گياهي، مقاوم نمودن گياه از طريق دستكاري ژنتيك و انتقال ژن ميباشد. توليد گياهان تراريخته حاوي ژنهاي توليدكننده پروتئينهاي سمي، كه در مقابل آفات خاصي بسيار سمّي و مؤثر بوده و در عين حال براي انسان، گياه، حيات‌وحش و حشرات مفيد، زياني ندارند، از مثال‌هاي كاربردي مهندسي ژنتيك ميباشد.
استخراج ژنBt از باكتري Bacillus Thuringiensis و انتقال آن به ذرّت، پنبه و سيبزميني باعث مقاومت آنها در مقابل حشرات شده است. اكنون ميليونها هكتار از اين قبيل گياهان در تعدادي از كشورهاي صنعتي و در حال توسعه جهان كشت ميشود. واضح است كه اين فناوري با از بين بردن نياز به استفاده از سموم شيميايي، چه خدمتي به حفظ محيط‌زيست و صرفه‌جويي اقتصادي كشاورزان مينمايد كه در بخش قبلي نيز چند مثال ذكر شد.
در دانشگاه ديويس كاليفرنيا، انتقال ژن mi به گوجه‌فرنگي و ابراز آن در برگ‌‌ها موجب مقاومت به نماتد گره‌‌زاي ريشه (Root knot) و شته ميشود، ولي اين ژن در درجه حرارت‌‌هاي بالاتر در مناطق گرمسيري غيرفعال ميشود و نياز به مطالعات بيشتر دارد.
نتقال ژن Bt به باكتري خاكزي سودوموناس فلوئورسنس (Pseudomonas fluorescence) كه با ريشه غلات و سويا همزيست ميباشد و اضافه‌كردن اين باكتري به خاك ميتواند خسارت كرم اگروتيس يا شب‌پره زمستاني (Agrotis ipsilon or Black cutworm) در غلات را كنترل كند. محققان آمريكايي با انتقال ژن Pin2 به گياه برنج باعث مقاوم شدن آن در برابر حشرات شدهاند.
انتقال ژن Bt به يك ريزسازواره درونزاد (Endophyte microorganism) كه داخل دستگاه آوندي گياهان زندگي ميكند و تكثير ميشود و آغشته‌‌سازي بذور ذرت و برنج با آنها، موجب كنترل كرم ساقه‌‌خوار ذرت و برنج ميشود. آزمايشات مزرعهاي نشان داده است كه ريزسازواره در خارج از گياه زنده نمي‌‌ماند و به گياهان تلقيح نشده همجوار نيز منتقل نميشود. بنابراين مشكل زيست‌محيطي نخواهد داشت.
2- مبارزه با علف‌هاي هرز
مهندسي ژنتيك در مبارزه با علف‌هاي هرز نيز به كمك كشاورزي آمده است. انتقال ژنهاي مقاومت به علفكش كه منشاء باكتريايي دارند، توانسته است ارقام جديدي از گياهان ذرت، پنبه، سويا و كلزاي مقاوم به علف‌كش‌هاي مهم همچون رانداپ و باستا را ايجاد نمايد. گياهان تراريخته مقاوم به علفكش اكنون بيشترين سطح كشت جهاني گياهان تراريخته را به خود اختصاص دادهاند.
3- بهبود كيفيت غذايي
تعدادي از ژنهاي مربوط به كيفيت پروتئين از جمله لگومين در نخود، فازئولين در لوبيا، زئين در ذرت، گليادين‌ها و گلوتنين‌هاي با وزن مولكولي بالا در گندم، شناسايي و همسانه‌سازي (كلون) شدهاند و در بعضي موارد (از جمله در گندم) به گياهان منتقل شدهاند. انتقال ژن پروتئين فريتين Ferritin تحت كنترل يك پيش‌‌بر در دانه برنج موجب گرديد آهن قابل استفاده (فرم فرو) آن افزايش يابد. در سوئد ژنهايي به برنج منتقل كردهاند كه موجب توليد و ذخيره بتاكاروتن در دانه ميشود. اين ماده در بدن انسان به ويتامين A تبديل ميشود و ميتواند به عنوان يك منبع تامين‌كننده ويتامين A مطرح باشد. بدين ترتيب در آينده نزديك، دانه‌هاي برنج غني از ويتامين A به ياري كساني كه غذاي اصلي آنها برنج بوده و به دلايلي از فقر ويتامين A رنج مي‌برند، خواهد شتافت.
4- تحمل نسبت به تنشهاي محيطي
حدود 80 درصد اختلاف بين مقدار محصول بدست آمده و محصول مورد انتظار از خسارات تنشهاي محيطي ناشي ميشود. اكثر موفقيتهاي كاربردي مهندسي ژنتيك در زمينه صفات تك‌ژني ساده بوده است. اما بسياري از صفات اقتصادي و مطلوب در كشاورزي از جمله تحمل به تنشهاي محيطي توسط تعداد زيادي ژن كنترل ميشوند و كار براي اصلاح اين صفات مشكل ميباشد. با اين وجود، برخي از ژن‌ها مرتبط با تنشهاي محيطي از قبيل تحمل به سرما، گرما، عناصر سنگين، شوري و خشكي شناسائي و استفاده شدهاند، ولي كاربرد تجاري از آنها بدست نيامده است.
به عنوان مثال ميتوان از انتقال ژن مانيتول (يك ژن باكتريايي) براي افزايش تحمل به شوري در توتون نام برد. همچنين مهندسي ژنتيك توانسته است سيبزميني و توت‌فرنگي مقاوم به يخبندان ايجاد نمايد. انتقال يك ژن باكتريايي به گياه تنباكو، به بقاي آن در محيط شور كمك نموده است. با توليد برنج مقاوم به شوري نيز امكان زيركشت بردن 86.5 ميليون هكتار از زمين‌هاي شور جنوب و جنوب شرقي آسيا فراهم مي‌آيد. دانشمندان ژاپني مشغول تحقيق در مورد توليد نوعي برنج پايدار در برابر خشكي و سرما و مقاوم به بيماريها هستند.
5- توليد مواد دارويي از گياهان
بكارگيري فناوري نوين زيستي علاوه بر آنكه در توسعه منابع جديد غذايي، حفظ محيط‌زيست و غيره منشاء اثرات مفيد بوده است، در ارائه راهكارهاي نوين و آسان در برقراري و حفظ بهداشت و سلامت بشر نيز موفق عمل نموده است. توليد واكسن‌هاي خوراكي و فراورده‌هاي دارويي بوسيلة گياهان نيز رويداد مهمي است كه منجر به افزايش كيفيت زندگي در كشورهاي عقبمانده خواهد گشت. براي مثال، واكسيناسيون افراد دركشورهاي در حال توسعه، نيازمند خريد سالانه واكسن از كشورهاي صنعتي است و نياز به سرمايه‌گذاري‌هاي كلان جهت ايجاد زيرساختارهاي بهداشتي و فراهم نمودن تجهيزاتي دارد كه دسترسي به آنها سهل و ارزان نيست. اما بيوتكنولوژي گياهي توانسته است پيشرفت‌هاي قابل ملاحظه‌اي در توليد واكسن‌هاي خوراكي در گياهان زراعي يا ميوهجات ايجاد كند.
توليد واكسن هپاتيت B در ذرت و موز و توليد واكسن cholera در سيبزميني، از نمونههاي اين كاربرد بيوتكنولوژي ميباشند. اين گونه واكسن‌هاي نوتركيب در مقايسه با واكسن‌هاي تزريقي از هزينه بسيار كمتري برخوردارند. نتيجه يك برآورد در آمريكا نشان ميدهد كه هزينه واكسن تزريقي هپاتيت B به ازاي هر فرد 200 دلار ميباشد ولي استفاده از موز و گوجه‌فرنگي حاوي اين واكسن (واكسن خوراكي) كمتر از 10 دلار هزينه دارد.
تغذيه از سيبزميني تراريخته حامل ژن دورگ كلراانسولين Chlora-Insuline كه گلوتاميك اسيد دكربوكسيلاز (GAD) را توليد ميكند از ابتلاء به ديابت جلوگيري مينمايد. اين مورد در صورت موفقيت ميتواند يك روش آسان و ارزان براي جلوگيري از اين بيماري باشد. لازم به ذكر است تغذيه موش‌‌هاي مستعد ديابت موجب كاهش وقوع آن و شدت پاسخ ايمني گرديد.
تنباكوي توليدكننده هموگلوبين انساني و ملانين در ايالت كاروليناي شمالي آمريكا در حال انجام آزمايشات مزرعهاي ميباشد.
6- توليد آنزيم‌ها و فرآورده‌هاي صنعتي
در حال حاضر پژوهشگران، سيستم‌هاي ويژه‌اي براي كنترل ژنهاي نوتركيب در داخل گياهان ابداع كردهاند كه آنها را قادر ساخته تا بتوانند ويژگي‌هاي موردنظر را تنها در يك قسمت از گياه به وجود آورند؛ به صورتي كه بتوان از يك گياه علاوه بر محصول اصلي و زراعي آن، فرآورده‌هاي جانبي ديگري نيز بدست آورد. اخيراً نوعي سيبزميني به‌وجود آمده است كه قابليت توليد دو نوع محصول، يكي غذايي و ديگري آنزيمي را تواماً دارا ميباشد.
آنزيمهاي صنعتي در فرمانتورها (بيوراكتورها) توليد ميشوند، اما توليد آنها بدين روش، به دو عامل گران‌قيمت يعني زمان و نيروي كار وابسته است. پژوهشگران معتقدند استفاده از گياهان به عنوان بيوراكتورها براي توليد آنزيم‌ها، آسان‌تر و ارزانتر خواهد بود. هزينه توليد يك گرم محصول با استفاده از فرمانتور 50 تا 250 دلار است در صورتي كه توليد آنزيم در گياهان، كمتر از يك پني براي هر گرم محصول هزينه در بر دارد. اين مساله تنها به سيبزميني محدود نميشود، بلكه از گياهان ديگر به‌ويژه ذرت نيز ميتوان براي توليد آنزيم در قسمت‌هاي غيرخوراكي آنها استفاده كرد. توجه به اين نكته ضروري است كه بيش از 120 ميليون تن ساقه خشك ذرت و 4 ميليون تن برگ و ساقه خشك سيبزميني در هر سال توليد ميشود كه ميتواند منبعي براي توليد مواد صنعتي باشد. علاوه بر اين، كشاورزان مي‌توانند با كشت يك گياه و صرف هزينه واحد، همزمان دو محصول را توليد كنند كه بدين ترتيب افزايش درآمدي بالغ بر 100 تا 200 دلار در هر ايكر (واحد سطح) را به دنبال خواهد داشت. مشاهده ميشود كه چنين دستاوردهايي علاوه بر كاهش بسياري از هزينه‌ها، موجب آشتي هر چه بيشتر تكنولوژي و طبيعت نيز ميشود.
همچنين ميتوان از توليد آزمايشي پلاستيك توسط گياه خردل در دانشگاه استنفورد آمريكا و استخراج روغن صنعتي توسط پژوهشگران اسكاتلندي از طريق دستكاري ژنتيكي گياه Meadow Foam نام برد.
پژوهشگران اكنون بدنبال گياهاني مانند Thaumatococcus danielli هستند كه توليد پروتئين تاوماتين Thaumatin آن حدود 2500 مرتبه از شكر شيرين‌تر ميباشد و مبداء آن در آفريقا است.
7- كاهش نياز گياهان به كودهاي شيميايي
در زمينه دست‌ورزي سيستم تثيبت ازت و جذب فسفر و پتاسيم نيز ژنهايي شناسايي و همسانه‌سازي شدهاند و مطالعاتي در حال انجام ميباشد. به عنوان مثال، ژنهاي ترانسپورتر فسفات از آرابيدوپسيس جداسازي و كلون شدهاند و وجود چنين ژني در گوجه‌فرنگي نيز گزارش شده است. چنين راهبردهايي در آينده ميتواند نقش مهمي در حل مشكلات حاصلخيزي خاك و كاهش نياز گياهان به كودهاي شيميايي ايفا نمايد.
ب) كاربرد نشانگرهاي مولكولي (پروتئين و دي.ان.آ)
نشانگرهاي مولكولي، يك وسيله و ابزار مفيد و دقيق ميباشند كه روشهاي مبتني بر استفاده از آنها به عنوان مكمل روشهاي سنتي و كلاسيك در سرعت بخشيدن به برنامههاي بهنژادي، افزايش دقت و صرفه‌جويي در نيروي كار و هزينه‌ها نقش چشمگيري دارند. پيدايش تكنيك PCR و نشانگرهاي مولكولي ديانآ در اوايل دهه 80 ميلادي و تكامل تدريجي آنها به كمك ابداع ابزارها و وسايل نوين پيشرفته باعث گرديد كه مفاهيم ژنوميكس، بيوانفورماتيكس و پروتئوميكس در اواسط دهه 90 به عرصه بيولوژي مولكولي وارد شوند و باب‌هاي جديدي از كاربردهاي بيوتكنولوژي نوين گشوده شود. مجموعه اين دستاوردها موجب شد كه پايان قرن بيستم با اتمام پروژه‌هاي بررسي ژنوم چندين موجود و از جمله انسان، آرابيدوپسيس و برنج مصادف شود.
اگرچه برخي از متخصصين، نشانگرهاي بيوشيميايي شامل آيزوزايم‌‌ها و پروتئينهاي كلي و ذخيره‌اي را كه از اواسط دهه 1950 ميلادي معرفي شدهاند به عنوان نشانگرهاي مولكولي مي‌شناسند، اما امروزه واژه نشانگرهاي مولكولي بيشتر با نشانگرهاي ديانآ مترادف ميباشد.
انواع مختلفي از نشانگرهاي مولكولي ديانآ (DNA) تا به امروز معرفي شدهاند و دقيقترين ابزار را براي بررسي ساختار ژنتيكي موجودات فراهم نمودهاند. نشانگرهاي اراف‌ال‌پي (RFLP)، رپيد (RAPD)، SSR، AFLP ،STMS، ESTs و ALP از مهمترين نشانگرهاي ديانآ محسوب ميشوند.
نشانگرهاي مولكولي در عرصه مطالعات ژنتيك، سيتوژنتيك، رده‌بندي و بهنژادي، داراي كاربردهاي متعددي هستند كه دو مورد از مهمترين آنها به شرح زير ميباشند:
1. بررسي روابط خويشاوندي و روند تكاملي: شناخت تنوع ژنتيكي و طبقهبندي ذخائر توارثي، يك امر زيربنايي و پايه براي طراحي موفق برنامههاي بهنژادي ميباشد و همچنين در آسان نمودن مديريت حفظ و نگهداري مجموعه‌هاي ژنتيكي نقش بسزايي دارد. بررسي‌‌هاي تنوع ژنتيكي و طبقهبندي از طريق نشانگرهاي مولكولي به طور گسترده‌‌اي در ساير كشورها براي اكثر گياهان انجام شده است. انجام اين كار در مورد ذخاير توارثي گياهان نيز جنبه بنيادي-كاربردي دارد و براي كمك به طراحي برنامههاي بهنژادي، بسيار ضروري است. همچنين ميتوان با شناسايي و حذف نمونههاي تكراري موجود در بانك ژن از هزينههاي اضافي براي تكثير و نگهداري آنها جلوگيري نمود.
2. تعيين نقشه ژنتيكي (جايگاه كروموزومي و پيوستگي ژن‌ها): تعيين نقشه ژنتيكي موجودات در مطالعات ژنتيك پايه و بهنژادي اهميت دارد. نقشه‌يابي و تعيين توالي ژنوم گياهان همچنين به روشن شدن عمل ژن و تنظيم ابراز آن كمك ميكند.
امروزه رديابي صفات مطلوب و سهولت انتخاب به كمك نشانگرها (MAS or Marker-aided selection) از طريق تعيين پيوستگي (لينكاژ) آنها با صفات مهم زراعي (كمي و كيفي) امكانپذير شده است. اين موضوع، امكان گزينش سريع و دقيق ژنوتيپهاي مطلوب را در مراحل اوليه رشد فراهم كرده و طول دوره بهنژادي را كوتاه مينمايد. اين مقوله به خصوص طي سال‌هاي اخير به شدت مورد توجه قرار گرفته است و موفقيتهاي زيادي از قبيل تشخيص گياهان مقاوم به يك آفت يا بيماري كه در برنامههاي بهنژادي و اجراي مقررات قرنطينه نباتي اهميت دارند، بدست آمده است. اين جنبه كاربردي در گياهان چندساله و به‌خصوص درختان كه اغلب طول دوره جواني در آنها زياد ميباشد، اهميت بيشتري دارد و باعث افزايش دقت و صرفه‌جويي در زمان، نيروي كار، هزينه‌ها و امكانات مزرعهاي ميشود.
شناسه‌‌هاي مولكولي (Molecular tags) براي بسياري از صفات در گياهان زراعي توسط انواع مختلف نشانگرهاي مولكولي تهيه شده است. مثالهايي از پيوستگي نشانگرهاي مولكولي بيوشيميايي و دي-ان-آ براي برخي از صفات مهم در گياهان مختلف از قبيل گوجه‌فرنگي، گندم، ذرت، جو، سويا، نخودفرنگي و برنج كه در انتخاب به كمك نشانگرها (MAS) قابل استفاده هستند وجود دارند. انتخاب به كمك نشانگرها به‌خصوص براي شناسايي صفات كمي و مقاومت گياهان به آفات و بيماريها سودمند ميباشد. اگرچه روشهاي مرسوم (سنتي) براي ارزيابي مقاومت به آفات و بيماريها توانسته‌‌اند نتايج بسيار خوبي ارائه دهند ولي اغلب به هزينه و زمان زياد نياز دارند. همچنين هميشه گياهاني هستند كه از نظر ژنتيكي حساس هستند اما از بيماريها يا آفات فرار ميكنند و حساسيت آنها در نسل‌‌هاي بعدي بروز ميكند.
لازم به ذكر است از اواخر دهه 1980 ميلادي شناسايي مكانهاي ژني صفات كمي (QTLs) از طريق پيوستگي با نشانگرهاي مولكولي مورد توجه واقع شده است. بسياري از مكانهاي ژني صفات كمي توسط اين نشانگرها در تعدادي از محصولات زراعي از قبيل گوجه‌فرنگي، ذرت، جو و برنج شناسايي شدهاند. نشانگرهاي مولكولي پيوسته با صفات كمي همچون مقدار مواد جامد در گوجه‌فرنگي، برگرداندن باروري و سازگاري وسيع دورگ و عدم عقيمي، مقاومت به خشكي، شكل ريشه، زمان خوشه‌دهي و ريزش در برنج گزارش شدهاند. همچنين تعيين كيفيت نانوايي گندم و تشخيص گندم نان از گندم دوروم توسط بررسي واحدهاي گلوتنين از پروتئينهاي ذخيره‌اي دانه گندم امكانپذير ميباشد.
ج) كشت سلولها و بافتهاي گياهي
كشف پديده توتي پوتنسي (Totipotency) يا توانايي يك سلول در ايجاد يك موجود كامل باعث شد تا در اواخر دهه 1960 ميلادي روشهاي كشت سلول، بافت‌‌ها و اندامهاي گياهي توسعه يابند. اين روش‌ها به نام كشت بافت موسوم ميباشند. فنون كشت سلول و بافت در اواخر دهه 70 توسعه يافتند و تكثير گياهان با روش مذكور از اوايل دهه 80 ميلادي رايج شد. همچنين توسعه روشهاي انتقال ژن و مهندسي ژنتيك و ايجاد گياهان و جانوران تراريخته بدون فنون كشت سلول و بافت امكانپذير نبود. شناخت سريع كاربردهاي وسيع فنون كشت بافت توسط متخصصين موجب گرديد تا اين فنون به‌سرعت گسترش يابند. به طوري كه شايد امروزه از فعاليت‌‌هاي ساده و معمول بيوتكنولوژي به‌خصوص براي بهنژادي گياهان به‌شمار مي‌‌آيند.
بسياري از كاربردهاي كشت بافت گياهي در زمينه اصلاح و بهبود گياهان كشاورزي از اواخر دهه 1980 ميلادي در سطح وسيع جنبه كاربردي پيدا نمودهاند. برزيل به كمك فنون كشت بافت توانسته است رقم‌‌هايي از نيشكر بدست آورد كه عملكرد بيشتري دارند و به علفكش نيز مقاوم هستند. كشور مكزيك در زمينه كشت بافت براي توليد ميوهجات و گلهاي زينتي براي صادرات فعاليت ميكند. هلند سالانه مقادير بسيار زيادي بذر سيبزميني عاري از ويروس و انواع گلهاي زينتي را كه از طريق ريزازديادي تكثير شدهاند به كشورهاي ديگر صادر ميكند. رقم گندم زيائويان6 (Xiaoyan6) در چين از تلاقي T. aestivum x Agropyron elongatum و بكارگيري فن نجات جنين توليد شده است كه 38 ميليون هكتار سطح زيركشت دارد و افزايش عملكرد ناشي از آن حدود 16 ميليون تن (420 كيلوگرم در هكتار) بوده است.
يك شركت چند مليتي با استفاده از روشهاي كشت بافت و سلول، ساليانه بيش از يك ميليون اصله نهال نخل روغني توليد و تكثير مينمايد و به كشورهاي جهان سوم صادر ميكند. سرعت عمل، خالص بودن و سالم بودن باعث ميشود محصول (در مقايسه با كشت و تكثير معمولي نخل) حدود 30 درصد افزايش يابد. در كره از طريق كشت بافت سيبزميني طي سال‌هاي 1981 تا 1986 ميزان محصول از 12 به 26 تن در هكتار رسيده است.
برخي از كشورها از كشت بافت و روش Cryopreservation (نگهداري بافتهاي زنده گياهي در شرايط سرماي زياد) براي استفاده در بانك ژن نگهداري طولاني مدت جهت حفظ ذخاير ژنتيكي گياهاني كه از طريق غيرجنسي تكثير ميشوند و يا نگهداري بذور آنها به روشهاي معمول در بانك ژن مشكل و پرهزينه ميباشد، استفاده نمودهاند.
برخي كاربردهاي كشت بافت گياهي
در ادامه، برخي از مهمترين كاربردهاي كشت بافت گياهي و فوايد اقتصادي آنها مورد بررسي قرار مي‌گيرد:
1- توليد گياهان دابلهاپلوئيد
لاينهاي دابلهاپلوئيد (Double haploids) از طريق كشت اندامهاي هاپلوئيد (دانه گرده، بساك، پرچم و غيره) و يا توسط تلاقيهاي بين‌گونه‌‌اي و بين‌جنسي (روش حذف كروموزومي) توليد ميشوند.
اين روش، طول دوره بهنژادي را از حدود 12-10 سال (در برنامههاي بهنژادي سنتي و كلاسيك) به 7-6 سال كاهش ميدهد و لاينهاي صددرصد خالص (هموزيگوس) ايجاد مينمايد. بنابراين روش دابل‌هاپلوئيدي ميتواند سريع‌تر از روشهاي سنتي، رقم جديد را معرفي نمايد.
توليد رقمهاي دابلهاپلوئيد در گندم، جو، برنج، كلزا، ذرت، نيشكر، سويا، انگور و سيب گزارش شده است. در چين رقمهاي جديد برنج دابلهاپلوئيد حاصل از كشت دانه گرده و بساك در سطح ميليونها هكتار كشت ميشوند. در فرانسه نيز دو رقم كلزا كه به طور غالب كشتوكار ميشوند و يك رقم گندم و همچنين در كانادا دو رقم جو از اين طريق توليد شدهاند.
در ايران نيز چندين لاين اميدبخش گندم دابلهاپلوئيد از طريق روش حذف كروموزومي (تلاقي گندم x ذرت) توليد شده است كه احتمال ميرود در سال‌هاي آينده به عنوان رقم جديد معرفي شوند.
2- ريزازديادي و تكثير انبوه گياهان
ريزازديادي (Micropropagation) و تكثير سريع و انبوه ژنوتيپهاي مطلوب و توليد گياهان يكسان (Clone propagation) عاري از بيماري (به‌خصوص عاري از ويروسها) از طريق كشت بافت و اندامهاي مختلف گياهي در بسياري از گياهان مهم اقتصادي امكانپذير ميباشد. به‌عنوان مثال ميتوان به توليد سريع و انبوه سيبزميني، خرما، موز، نخل روغني، توت‌فرنگي، سيب، مارچوبه و نيشكر از گياهان زراعي و باغي؛ اوكاليپتوس و سپيدار، از درختان جنگلي و رز، اركيده، ميخك، داودي، شمعداني، ژربرا، ديفن‌باخيا، دراسنا، بنفشه آفريقايي، آنتوريوم، كوكب، انجيرزينتي (فيكوس)، فيلودندرون و سينگونيوم از گل‌ها و گياهان زينتي اشاره نمود.
اين روش علاوه بر تكثير سريع و توليد گياهان عاري از عوامل بيماريزا، در اكثر گياهان چندساله از جمله خرما و گردو باعث كاهش دوره نونهالي و زودباردهي آنها ميشود. همچنين فضاي بسيار كمتري براي تكثير نياز ميباشد.
پيرتروم حشره‌كشي طبيعي است كه از گلهاي خشك نوعي از گياه داودي (Charanthemum cineraiaepolium) به دست مي‌آيد. كشور كنيا بزرگترين توليدكننده آن ميباشد كه تجارت سالانه آن از طريق ريزتكثيري حدود 75 ميليون دلار ميباشد.
طي يك دوره هشتماهه، از يك غده سيبزميني عاري از ويروس حاصل از كشت مريستم انتهايي، تعداد 2 ميليارد غده سالم يكسان در يك مساحت 40 هكتاري بدست آمد. اين سرعت تكثير 100 هزار برابر بيشتر از سرعت توليد مثل جنسي است.
يك نخل روغني توسط كشت يك قطعه از بافت برگ توانست طي يكسال حدود 500 هزار گياه يكسان مقاوم به فيلاريوسيس با توليد روغن 6 تن در هكتار را تامين كند (اين مقدار روغن 30-6 برابر بيشتر از ساير گياهان اصلي توليد كننده روغن مانند آفتابگردان و سويا ميباشد). همين روش براي تكثير رقمهاي جديد نارگيل نيز به كار ميرود. كشت مريستم انتهايي و يا جوانه‌هاي جانبي و توليد و تكثير گياهان عاري از بيماري و ويروس در بيش از 50 نوع گياه شامل سيبزميني، توت فرنگي، انگور، ليمو، كاساوا، سيبزميني شيرين، موز و غيره امكانپذير ميباشد.
3- تنوع سوماكلونال
القاي تنوع رويشي يا سوماتيكي (Soamaclonal variation) با هدف ايجاد تنوع جديد و يا انتخاب تنوع موجود و گزينش ژنوتيپهاي مطلوب (مقاومت به تنشهاي زنده و غيرزنده، كيفيت بهتر و غيره) در درون محيط‌كشت (Invitro selection) انجام ميشود.
كشت سلولها و بافتهاي گياهي در محيط‌كشت مصنوعي و در شرايط خاص باعث بروز تغييرات ژنتيكي در آنها ميشود. بنابراين جهت ايجاد تنوع و انتخاب گياهان واجد صفات تغييريافته و جديد از قبيل گياهان مقاوم به شوري، خشكي، گرما، سرما و مقاومت به آفات و بيماريها و يا بهبود كيفيت مواد غذايي از اين روش‌ها استفاده گرديده است كه در بعضي از زمينه‌ها، رقمهاي تجاري نيز توليد شده است. طي دهه اخير نيز اين گونه پژوهش‌ها با شدت بيشتر دنبال ميشود. با توجه به وجود اكثر مشكلات فوق در كشور، بكارگيري اين فنون در ايران نيز ميتواند پتانسيل اقتصادي قابل توجهي به دنبال داشته باشد.
از ايجاد رقمهاي جديد تجاري توسط تنوع سوماكلونال ميتوان به موارد زير اشاره نمود:
- گوجه‌فرنگي داراي رنگ، طعم و بافت عالي كه ميتواند 14-10 روز پس از برداشت (بدون آسيب) نگهداري شود.
- فلفل شيرين با اندازه ريز، بدون دانه، تغيير درجه شيريني و رنگ قرمز تيره از طريق كشت بساك به مرحله تجاري رسيده است.
- رقمهاي هويج و كرفس تردتر و شيرين‌تر به بازار عرضه شده است.
- يك رقم برنج ديررس و يك رقم پاكوتاه در ژاپن بدست آمده است.
- لاينهاي متحمل به شوري در برنج ايجاد شده است.
- توليد رقمهاي تجاري داراي صفات مطلوب در سيبزميني، نيشكر، برنج، ذرت، جو، گندم، تنباكو، شبدر، يونجه، كلزا، يولاف و گوجه‌فرنگي نيز از اين روش گزارش شده است.
4- دورگگيري سوماتيكي و امتزاج پروتوپلاست
دورگگيري سوماتيكي (Somatic hybridization) و امتزاج پروتوپلاست (Protoplast Fusion) در جنس‌ها و گونه‌هايي انجام ميشود كه تلاقي‌پذيري ندارند. اين كار به منظور دستكاري گونههاي گياهي و در جهت افزايش تنوع ژنتيك و ايجاد صفات و يا گياهان جديد و توليد سيبريدها (دورگهاي سيتوپلاسمي) استفاده ميشود. اين فنون با رفع محدويت تلاقيهاي بين‌گونه‌‌اي و بين‌جنسي از طريق كشت تخمك نارس يا بالغ، گرده‌افشاني در محيط مصنوعي (Invitro Pollination) و يا بكارگيري فنون نجات (يا كشت) جنين (Embryo rescue) مي‌توانند به عنوان مكمل روشهاي اصلاح سنتي عمل نمايند.
اگرچه به‌نژادگران اميدواري زيادي به اين فنون دارند، ولي تاكنون موفقيت كاربردي چنداني نداشته است. از جمله صفاتي كه در اين روش براي انتقال مورد توجه هستند، ميتوان تحمل به تنشهاي محيطي از قبيل سرما، شوري، خشكي و مقاومت به آفات و بيماريها را نام برد.
ايجاد دورگهاي سوماتيكي به روش امتزاج پروتوپلاست در بيش از 30 گونه و 12 جنس انجام شده است. پوميتو (Pomato) تنها گياه جديدي است كه از طريق امتزاج پروتوپلاست گوجه‌فرنگي و سيبزميني توليد شده است ولي هنوز بهره‌برداري كشاورزي ندارد.
5- توليد متابوليت‌‌هاي ثانويه (Secondary metabolites)
گياهان در طول زندگي خود برخي از مواد آلي شيميايي پيچيده توليد ميكنند كه در رشد و نمو و فعاليت‌‌هاي حياتي گياه نقشي ندارند و به آنها متابوليت‌‌هاي ثانويه گفته ميشود. مواد معطر، مواد موثره دارويي، فرمون‌‌ها، حشره‌‌كش‌‌ها، علفكشها، قارچ‌‌كش‌‌ها، هورمون‌‌هاي گياهي و مواد آللوپاتيك (ايجاد كننده انواع مقاومت‌‌ها و يا بازدارنده رشد و نمو) از اين جمله هستند (جدول4). توليد انبوه و سريع اين مواد پيچيده در مقياس زياد از روشهاي شيميايي آزمايشگاهي، مشكل و يا غيرممكن ميباشد. از سوي ديگر، به دليل گسترش مصرف مواد دارويي و صنعتي، نياز به مواد جديد با تاثيرات بيشتر از منابع متنوع تجديدشونده شيميايي با عوارض زيست محيطي كمتر و روشهاي استخراج آسان و اقتصادي ضروري ميباشد. بيوتكنولوژي و از جمله كشت بافتهاي گياهي براي توليد آسان و انبوه متابوليت‌‌هاي ثانويه، يك راه‌حل مناسب و ارزانتر براي اين مشكل ميباشد.
جدول 4 ميزان توليد برخي از متابوليت‌‌هاي ثانويه را از طريق كاشت گياه كامل و كشت بافت با هم مقايسه ميكند. همانطور كه مشاهده ميشود، ميزان توليد از طريق كشت بافت 10-3 برابر بيشتر از كاشت گياه كامل ميباشد.
قيمت متابوليت‌‌هاي ثانويه نيز بسيار گران ميباشد، به طوري كه فروش محصولات دارويي مانند شيكونين (Shikonin) يا ديجي‌‌توكسين (Digitoxin) و يا عطرهايي همچون روغن جاسمين (Jasmin) از چند دلار تا چند هزار دلار به ازاي هر كيلو تغيير ميكند. به عنوان مثال قيمت هر كيلو از داروهاي ضد سرطان مانند وين‌بلاستين (Vinblastin)، وين‌كريستين (Vincristin) و تاگزول (Taxol) به چند هزار دلار مي‌‌رسد. جدول 5 ميزان فروش جهاني برخي از متابوليت‌‌هاي ثانويه را بيان مينمايد و هر كدام مبالغ هنگفتي را به خود اختصاص دادهاند.
مآخذ
1- بهمن ابراهيمي، 1381. مروري بر حوزههاي مختلف كاربرد بيوتكنولوژي. شبكه تحليلگران تكنولوژي ايران.
2- اكبر شاهسواران، 1380. كاربردهاي بيوتكنولوژي گياهي و اهميت آن براي كشور. شبكه تحليلگران تكنولوژي ايران.
3- سيدمهدي علوي، 1381. نمونههايي از دستاوردهاي بيوتكنولوژي نوين و لزوم توجه به آن در كشور. شبكه تحليلگران تكنولوژي ايران.
4- سيدمهدي علوي، 1381. بيوتكنولوژي, راهكار مؤثر در توسعة كشاورزي و ايجاد امنيت غذايي. شبكه تحليلگران تكنولوژي ايران.
5- اسماعيل كفايتي، 1381. استفاده از گياه به جاي فرمانتور، در توليد آنزيمهاي صنعتي. شبكه تحليلگران تكنولوژي ايران.
6- محمد ميردريكوند، نصرت‌الله ضرغام و بهزاد قره‌ياضي، 1378. بررسي پتانسيل اقتصادي بيوتكنولوژي كشاورزي در ايران. كميسيون بيوتكنولوژي شوراي پژوهش‌هاي علمي و موسسه تحقيقات بيوتكنولوژي كشاورزي.
7- James, C., 1999. Global review of commercialized transgenic crops (preview). ISAAA Briefs, No.12. ISAAA Ithaca, NY.USA. 8p.
8- James, C. 2002. Global review of commercialized transgenic crops: 2001. ISAAA Briefs No. 24: Preview. ISAAA Ithaca, NY. ISAAA.org - International Service for the Acquisition of Agri-biotech Applications (http://www.isaaa.org)/
9- James, C. 2000a. Global status of commercialized transgenic crops: 1999. ISAAA Briefs No. 17. ISAAA Ithaca, NY. http://www.isaaa.org./publications/briefs/Brief_17.htm
10- James, C. 2000b. Global status of commercialized transgenic crops. ISAAA Briefs No. 21: Preview. ISAAA Ithaca, NY. http://www.isaaa.org/publications/briefs/Brief_21.htm
11- Mohan, M., S. Nair, A. Bhagwat, T. G. Krishna, M. Yano, C.R. Bhatia and T. Sasaki, 1997. Genome mapping, molecular markers and marker-assisted selection in crop plants, Mol. Breed. 3: 87-103
كاربرد بيوتكنولوژي در افزايش كميت و كيفيت محصولات كشاورزي، از مهمترين حوزههاي بيوتكنوژي نوين به خصوص براي كشورهاي در حال توسعه و پرجمعيت ميباشد. اين مقاله سعي دارد، مهمترين كاربردهاي بيوتكنولوژي در زمينه علوم گياهي را در قالب عناوين زير به طور اجمال معرفي كرده و تحليلي دربارة ضرورت توجه به اين حوزه از تكنولوژي‌هاي نو ارائه نمايد:
ابعاد اقتصادي بيوتكنولوژي در حوزه كشاورزي
حوزههاي مختلف بيوتكنولوژي گياهي نوين
الف) مهندسي ژنتيك و ديانآي نوتركيب
گياهان تراريخته و اهميت اقتصادي آنها
مثالهايي از كاهش خسارات آفات
زمينههاي مختلف كاربرد گياهان تراريخته
ب) كاربرد نشانگرهاي مولكولي
ج) كشت سلولها و بافتهاي گياهي
برخي كاربردهاي كشت بافت گياهي
مقدمه
بر اساس گزارشات سازمان ملل، حدود 800 ميليون نفر از جمعيت جهان (14 درصد) دچار فقر غذايي هستند كه تا سال 2020 به يك ميليارد نفر خواهند رسيد. تخريب روزافزون جنگلها، مراتع و فضاي سبز، گسترش بيابانها، نابودي گونههاي متنوع گياهي و جانوري، مقاوم شدن آفات و عوامل بيماريزا به سموم و بروز بسياري مسائل جدي ديگر هر روز ابعاد گستردهتري مي‌يابد.
از سوي ديگر، بشر با استفاده نسبتاً كامل از امكانات موجود، امروزه براي افزايش توليدات كشاورزي با محدوديت منابع روبرو ميباشد. بنابراين رشد سريع جمعيت و محدوديت منابع، نسل بشر را با خطر گرسنگي و كمبود امكانات بهداشتي مواجه نموده است. از طرفي، فناوري‌هاي سنتي و بومي كشاورزي به مرز محدوديتهاي خود نزديك شدهاند و انسان نيازمند بكارگيري فناوري‌هايي است كه از پتانسيل بيشتري برخوردار باشند.
در چنين شرايطي، فناوري‌هايي مورد نياز هستند كه قابليت توليد گياهان، دامها و بطور كلي موجوداتي با ويژگي‌هاي برتر را داشته باشند، گياهاني با قابليت تحمل به تنشهاي زيستي و بطور اخص شوري و خشكي توليد كنند، دامها را به شيوهاي دقيق و كيفي در مقابل بيماري‌هاي مهلك ايمن نمايند و در نهايت امنيت غذايي و به تبع آن امنيت اقتصادي و اجتماعي را به ارمغان آورند. نمونه بارز چنين فناوري‌هايي، "فناوري زيستي (بيوتكنولوژي)" است كه قابليت بهبود ژنتيك گياهان زراعي و باغي، دام، آبزيان و بطور كلي سازوارهها (ارگانيزم‌ها) و ريزسازوارهها (ميكروارگانيزم‌ها) را داراست.
دستاوردها و تحولات گسترده علمي و تكنولوژيك جهان كه در نيمه دوم قرن بيستم (از اواسط دهه 1970 ميلادي) به خصوص در حوزه علوم و فناوري‌زيستي به وقوع پيوست، نويدبخش توانمندي‌هاي جديدي در اين عرصه بود و امروزه اميدهاي فراواني را در دل دولتمردان كشورهاي جهان ايجاد كرده است. بيوتكنولوژي و فناوري ژن با ارايه مسيرهاي راهبردي، اين اميد را به‌وجود آورده‌اند كه ميتوان جهان را از كابوس فقر و گرسنگي رها ساخت و امنيت غذايي و بهداشتي را براي جهانيان به ارمغان آورد. بنابراين بشر امروزه با بهره‌گيري از دانش ژنتيك، به قابليت‌هاي شگفت‌انگيز طبيعت و موجودات زنده پي برده و بر آن است تا از همين قابليت‌هاي ذاتي براي رفع معضلات زيستي استفاده كند.
بر اساس پيشبينيهاي بسياري از متخصصين و صاحب‌نظران از جمله انجمن بينالمللي علم و توسعه، جمعيت جهان در سال 2050 به 11 ميليارد نفر خواهد رسيد و ميزان توليدات غذايي بايد در آن زمان به سه برابر مقدار كنوني افزايش يابد كه بدون فناوري زيستي ميسر نخواهد بود. بيوتكنولوژي و مهندسي ژنتيك ميتواند در جهت بهرهوري بيشتر از منابع زيستي، حفظ محيط‌زيست و در نتيجه توسعه پايدار مؤثر واقع شود.
ابعاد اقتصادي بيوتكنولوژي در حوزه كشاورزي
ابعاد اقتصادي بيوتكنولوژي در حوزه كشاورزي بسيار چشمگير بوده است. بسياري از صاحب‌نظران معتقدند سده بيستويكم، قرن حاكميت و شكوفايي فناوري زيستي است و اين فناوري را عامل دومين انقلاب سبز در آينده به حساب مي‌آورند. به مدد اين فناوري نوين، پتانسيل قابل‌توجهي در علوم زيستشناسي پايه، صنايع كشاورزي، پزشكي و داروسازي، فرآوري غذايي و صنايع شيميايي پديد آمده است.
كاربرد بيوتكنولوژي در كشاورزي به خصوص براي كشورهاي در حال توسعه، چشم‌انداز روشن و بسيار اميدوار‌كننده‌‌اي ترسيم نموده است. طبق مطالعه‌اي كه در سال 1985 صورت گرفت، تأثير بيوتكنولوژي بر كشاورزي در كشورهاي در حال توسعه، در سال 2008 احساس خواهد شد. طبق گزارش سازمان همكاري و توسعه اقتصادي (OECD) در دهة 1980، ميزان اكتشافات در مورد بيوتكنولوژي موادغذايي و كشاورزي، سريع‌تر از آن بود كه تصور مي‌رفت. بازار جهاني بيوتكنولوژي كشاورزي در سال 1997 حدود 4 ميليارد دلار بود و در سال 2002 حدود 4،8 ميليارد دلار پيش‌بيني شده است. امروزه دولت‌ها و صنايع به اين نتيجه رسيده‌اند كه بايد مردم را بيشتر با بيوتكنولوژي كشاورزي آشنا كنند و براي اين‌‌كار، همكاري متخصصين و علاقه‌مندي غيرمتخصصين و اعتماد مردم را لازم مي‌دانند.
بيوتكنولوژي امكاناتي را فراهم مي‌آورد كه از طريق روشهاي سنتي قابل دسترس نيستند. لذا بكارگيري اين فناوري در كشاورزي ميتواند با هدف بهرهوري بيشتر از منابع موجود، كشاورزي پايدار، سلامت محيط‌زيست و در جهت كمك به روشهاي سنتي "بهنژادي"، موثر واقع شود. به طور كلي، استفاده از فناوري‌زيستي در كنار روشهاي سنتي (كلاسيك) باعث تسريع در دستيابي به اهداف "بهنژادي" و تأمين احتياجات كمي وكيفي بشر در آينده خواهد بود. در عين حال هيچگاه نبايد اين فناوري به عنوان جايگزين روشهاي سنتي و معمول "بهنژادي" قلمداد شود، بلكه اين دو مكمل يكديگر هستند.
حوزههاي مختلف بيوتكنولوژي گياهي نوين
به‌طور كلي بيوتكنولوژي نوين از سه ابزار مهم زير در زمينه كشاورزي بهره مي‌گيرد:
الف) مهندسي ژنتيك و دي-ان-آي نوتركيب
ب) كاربرد نشانگرهاي مولكولي (پروتئين و دي-ان-آ)
ج) كشت سلولها، اندام‌ها و بافتهاي گياهي
اين نوشتار سعي دارد مهمترين حوزههاي كاربرد بيوتكنولوژي گياهي را در قالب سه مورد فوق‌الذكر به طور اجمال معرفي كند كه ميتواند تحليلي دربارة ضرورت توجه به اين حوزه از تكنولوژي‌هاي نو ارائه نمايد.
با توجه به اهميت فناوري‌زيستي ابعاد اقتصادي، اجتماعي و حتي سياسي، شايسته است كه مسئولين علمي و سياسي كشور بيش از پيش به حمايت و سرمايه‌گذاري در اين زمينه توجه نمايند. همچنين لازم است، برنامه‌ريزان و تصميم‌سازان استراتژي ملي توسعه كشور نسبت به اولويت‌دادن به آموزش‌ها و پژوهش‌هاي نوين بنيادي و كاربردي در عرصة بيوتكنولوژي و مهندسي ژنتيك و ارايه تمهيدات و راهكارهاي بهره‌برداري تجاري از فراورده‌هاي آن، اقدام لازم را به عمل آورند.
الف) مهندسي ژنتيك و ديانآي نوتركيب
مهندسي ژنتيك، پيچيده‌ترين شاخه بيوتكنولوژي است كه روشهاي مبتني بر ژنتيك سلولي و مولكولي، نشانگرهاي مولكولي، كشت سلول و بافت، ميكروبيولوژي و بيوشيمي را در بر مي‌گيرد. به طوركلي مهندسي ژنتيك شامل استفاده از روشهاي انتخاب ژن موردنظر، جداسازي، خالص‌سازي، تكثير و انتقال ژن‌ها و ارزيابي بروز آنها در موجود زنده ميباشد. اين فناوري امكاناتي را فراهم مي‌آورد كه با روشهاي سنتي (كلاسيك) امكانپذير نيست.
مهندسي ژنتيك با رفع مشكل محدوديت تلاقيهاي جنسي توانسته است انتقال مستقيم و سريع ژنهاي جديد يا تغييريافته از منابع مختلف شامل گونههاي گياهي، حيوانات، باكتري‌ها، ويروسها و قارچ‌ها به يكديگر و از جمله گياهان را فراهم آورد؛ در حالي كه اين كار با روشهاي معمول و كلاسيك بهنژادي امكانپذير نيست. اين فناوري حتي ميتواند ژنهاي مصنوعي طراحي نمايد و به موجودات انتقال دهد. بنابراين تنوع در خزانه ژني (gene pool) را افزايش ميدهد.
به طور كلي دامنه مطالعات و كاربردهاي مهندسي ژنتيك شامل موارد زير ميباشد:
1- مطالعات بنيادي در زمينه زيستشناسي پايه و از جمله شناسايي، جداسازي و شناخت اجزاء ژن و عمل آنها، چگونگي فعاليت رونويسي، ترجمه و ابراز (بيان) ژن‌ها و بررسي فرآورده پروتئيني آنها، يكي از مهمترين نقاط تمركز پژوهش‌هاي مهندسي ژنتيك ميباشد.
2- توليد كاوشگرهاي تشخيصي (diagnostic probes) جهت شناسايي توالي‌‌هاي مشابه كه در مطالعات بيوتكنولوژي و همچنين تشخيص صفات از قبيل مقاومت و يا حساسيت به آفات و بيماريها و شناخت ارقام هر گياه كاربرد دارد.
3- تراريزش يا انتقال ژن به روشهاي مهندسي ژنتيك (transformation) و توليد گياهان و جانوران تراريخته transgenic داراي صفات جديد و يا تغييريافته، امروزه يكي از مهمترين و كاربردي‌ترين استفاده‌هاي مهندسي ژنتيك در كشاورزي ميباشد و گياهان تراريخته مي‌توانند جهت استفاده‌هاي مستقيم يا غيرمستقيم غذا، علوفه و الياف بكار روند و يا اينكه در برنامههاي بهنژادي، توليد مواد دارويي و صنعتي استفاده شوند.
گياهان تراريخته (Transgenic Plants) و اهميت اقتصادي آنها:
فنون دست‌ورزي ژنتيكي گياهان در اوايل دهه 80 ميلادي ابداع گرديد و نتايج كاربردي آن از اوايل دهه 90 با ايجاد گياهان تراريخته مقاوم به آفات، بيماريها و علفكشها به ثمر نشست. اكنون حدود دو دهه از پيدايش فنون ديانآي نوتركيب و مهندسي ژنتيك گياهي مي‌گذرد. در اين مدت سرمايه‌گذاري‌هاي هنگفت و تلاش فراواني در نقاط مختلف دنيا براي توسعه و بهبود اين فنون جهت دستيابي به اهداف موردنظر به‌عمل آمد. مهندسي ژنتيك، انقلاب سبزي را براي بهبود كمي و كيفي محصولات كشاورزي و غلبه بشر بر گرسنگي و فقر غذايي بنيان نهاده است.
دانشمندان با دستكاري ژنهاي يك گياه، جانور و ميكروارگانيسم، نژادهاي تراريختهاي از آن را به وجود مي‌آورند كه نسبت به نژاد طبيعي، به آفات و بيماريها و يا سموم مقاوم بوده، يا برخي عناصر غذايي و ويتامين‌ها را كه نوع طبيعي فاقد آن است، توليد مينمايد. لذا اين قبيل گياهان يا جانوران، محصول بيشتر و با كيفيت بهتري توليد ميكند. در دهه آينده اميد ميرود با استفاده از گياهان زراعي تراريخته، افزايش عملكرد از 10 به 25 درصد برسد.
از سال‌هاي 1982 و 1983 كه اولين انتقال موفقيت‌آميز ژن‌ها به سلول‌هاي گياهي انجام شد، سرعت پيشرفت ايجاد گياهان تراريخته افزايش يافت. اولين آزمايش مزرعهاي گياهان تراريخته در سال 1986 در كشور فرانسه انجام گرفت. اما استفاده عملي از گياهان تراريخته، زماني آغاز شد كه كشور چين تنباكو و گوجه‌فرنگي تراريخته مقاوم به ويروس را در پايان سال 1992 براي عرضه در بازار تصويب نمود و سپس گوجه‌فرنگي با قابليت انبارداري بيشتر توسط شركت كالگن آمريكا در سال 1994 معرفي شد. امروزه توليد گياهان تراريخته از عمده‌ترين كاربردهاي بيوتكنولوژي در كشاورزي ميباشد. در حال حاضر، انتقال ژن از طريق مهندسي ژنتيك و توليد گياهان تراريخته در مواردي همچون مقاومت به آفات، بيماريها، علفكشها، بهبود كيفيت پروتئين و روغن و غيره در بيش از 60 گياه زراعي، باغي و زينتي حاصل شده است و تعداد آنها با سرعت زيادي روز به روز افزايش مي‌يابد.
سطح زيركشت اين قبيل گياهان در جهان طي سال‌هاي اخير با روند تصاعدي افزايش يافته و از سال 96 تا 2001 حدود 30 برابر شده است (جدول 1). اكنون بيش از 25 درصد سطح‌كشت جهاني گياهان تراريخته در كشورهاي در حال توسعه قرار دارد. شمار كشورهايي كه گياهان زراعي تراريخته را كشت ميكنند، از يك كشور در سال 1992 به چهارده كشور در سال 2002 افزايش يافته است.
ميزان فروش محصولات گياهان تراريخته طي سال‌هاي 1995 تا 2000 به‌سرعت افزايش يافت (جدول 2). بازار جهاني گياهان تراريخته در سال 2001 از مرز سه ميليارد دلار گذشت و پيش‌بيني ميشود كه در سال 2005 و 2010 به ترتيب تا حد 6 و 20 ميليارد دلار افزايش يابد. سود حاصل از گياهان تراريخته طي سال 1999 حدود 700 ميليون دلار بود كه بيش از دو ميليون كشاورز از آن بهره‌مند شدهاند. در سال 2001 حدود پنجونيم ميليون كشاورز از كشت اين قبيل گياهان بهره برده‌اند. لذا اكنون مقبوليت گونههاي جديد زراعي، باغي و حتي دامهاي تراريخته نزد كشاورزان افزايش يافته است و اين خود موضوعي است كه دانشمندان را به سوي توليد فرآورده‌هاي نوين و با قابليت‌هاي بيشتر سوق ميدهد.
پيش‌بيني ميشود كه در سال 2025 حدود 1،6 ميليارد نفر در جهان از طريق مهندسي ژنتيك غلات تغذيه خواهند نمود. شركت زنكا (Zeneca) معتقد است كه بازار جهاني گياهان تراريخته در سال 2020 به 75 ميليارد دلار خواهد رسيد، لذا سرمايه‌گذاري در اين زمينه را از 20 ميليون دلار در سال 97 به 60 ميليون در سال 98 افزايش داد. شركت نوارتيس سوئيس نيز حدود 20 ميليون دلار طي سال‌هاي 99 و 2000 براي گسترش ساختمان موسسه تحقيقات بيوتكنولوژي خود هزينه نمود.
كاهش هزينه كشاورزان از طريق كنترل بهينة آفات، بيماريها، علف‌هاي هرز، كاهش مصرف سموم و افزايش كميت و كيفيت محصول، از جمله مزيت‌هاي حاصل از كاربرد گياهان تراريخته (تغييريافتة ژنتيك) ميباشد. گياهان تراريخته مقاوم به آفات و بيماري‌هاي شايع و خسارت‌زا قادرند خسارات ساليانه 30 درصدي محصولات كشاورزي را كاهش دهند؛ در نتيجه امروزه شاهد رويكرد كشاورزان در كشورهاي صنعتي به سوي كاشت و بهره‌برداري از اين قبيل گياهان هستيم. كاشت اين‌گونه گياهان، هزينههاي مبارزه شيميايي و كاربرد سموم دفع آفات نباتي را كاهش ميدهد. از سوي ديگر صدمات وارده به منابع زيستي مثل خاك و آب‌هاي زيرزميني را به حداقل مي‌رساند. براي روشن شدن مطلب به ذكر چند مثال زير بسنده ميشود:
مثالهايي از كاهش خسارات آفات
1- خسارت ناشي از كرم برگ‌خوار ذرت، ساليانه معادل 40 ميليون تن است كه اين ميزان قادر به تامين كالري لازم براي 60 ميليون نفر ميباشد. به‌كمك مهندسي ژنتيك ميتوان اين‌گونه خسارت‌ها را به حداقل ممكن كاهش داد.
2- تنباكو تراريخته مقاوم به ويروس در چين باعث شد تا عملكرد برگ آن 5 تا 7 برابر افزايش يابد و تعداد دفعات سمپاشي (بر عليه شته‌هاي ناقل) 3-2 بار كاهش يابد.
3- در آمريكا طي سال 1996 متوسط خسارت كرم اروپايي ذرت برابر 9 درصد بود و در بعضي مناطق به بيش از 30 درصد مي‌رسيد و متوسط ارزش خسارت برابر 1 ميليارد دلار بود. سود خالص از ذرت Bt مقاوم به اين آفت (بدون احتساب هزينههاي علفكش) برابر با 27.25 دلار در هر ايكر (واحد سطح) محاسبه شد. كل سود خالص حاصل از كاشت ذرت Bt در سال 1996 و 1997 در آمريكا به ترتيب 19 و 190 ميليون دلار بود.
4- سال 1996 در آمريكا كاشت سيبزميني Bt (مقاوم به سوسك كلرادو) به طور متوسط تعداد سمپاشي را به 1.2 دفعه كاهش داد كه متوسط پس‌انداز هزينه سمپاشي 5 دلار در هر ايكر (12 دلار در هكتار) بود. در مجموع با صرفه‌جويي در مصرف حشره‌كش، متوسط افزايش بازده كشاورزان با استفاده از سيبزميني Bt (در مقايسه با شاهد) برابر 14 دلار در ايكر بود (35 دلار در هر هكتار با احتساب افزايش عملكرد و كيفيت غده).
5- يك بررسي بر روي پنبه تراريخته Bt مقاوم به كرم غوزه طي سال 1996 در آمريكا نشان داد كه عملكرد در مقايسه با شاهد به طور متوسط 7 درصد افزايش مي‌يابد و حتي بسته به تراكم آفت اين افزايش تا 20درصد نيز مي‌رسيد. همچنين ميزان مصرف حشره‌كش 20000 گالن كاهش يافت. ميزان صرفه‌جويي ناشي از عدم به كارگيري حشره‌كش در هكتار معادل 140 تا 180 دلار در هكتار بود و افزايش هزينه خريد بذر در هر هكتار معادل 80 دلار بود. بنابراين متوسط سود خالص در هر هكتار حدود 80 دلار (33 دلار در هر ايكر) محاسبه گرديد. بنابراين سود حاصل از كاشت 1.8 ميليون ايكر پنبه Bt در سال 1996 براي كشاورزان آمريكايي برابر 60 ميليون دلار بود.
6- كل سود حاصل از كشت گياهان پنبه ، ذرت و سيب زميني Bt در آمريكا طي سال 1996 برابر 80 ميليون دلار بود و در سال 1997 ميلادي براي ذرت Bt به تنهايي معادل 190 ميليون دلار بود.
7- سال 1996 در كانادا متوسط عملكرد كلزاي متحمل به علفكش مقدار 9درصد بيشتر از تيمارهاي شاهد (روشهاي ديگر كنترل علف هرز) بود و حتي به بيش از 20درصد نيز مي‌رسيد. از طرفي ميزان مصرف سم از طريق كاهش تعداد دفعات سمپاشي (80 درصد كشاورزان تنها يك بار سمپاشي نمودند) از 570 گرم به 160 گرم ماده فعال در هر ايكر (1400 گرم در هر هكتار به 400 گرم) كاهش يافت. سود خالص حاصل در يك برآورد متوسط محافظه‌كارانه حدود 20 دلار در هر ايكر (50 دلار در هر هكتار) تخمين زده شد. بنابراين كل سود حاصل در 300 هزار ايكر كلزاي مقاوم به علفكش در كانادا برابر 6 ميليون دلار بود.
8- سويا مقاوم به علفكش نيز باعث كاهش 40-10 درصد از مصرف علفكش ميشود.
9- در استراليا، كشاورزان براي مبارزه با شپشك‌هاي نخود فرنگي هر ساله حدود 16 ميليون دلار حشره‌‌كش‌‌هاي شيميايي خريد مي‌‌نمايند. اين آفت مهمترين عامل كاهش در محصول 100 ميليون دلاري نخودفرنگي استراليا ميباشد. سازمان تحقيقات علمي و صنعتي اين كشور با انتقال يك ژن از لوبيا قرمز توانسته است نخود فرنگي تراريختهاي ايجاد نمايد كه حدود 99.5 درصد در برابر حمله شپشك‌‌ها مقاومت دارد.
زمينههاي مختلف كاربرد گياهان تراريخته:
1- مبارزه با آفات و بيماريها
يكي از رويكردهاي بيوتكنولوژي براي مبارزه با آفات و بيماري‌هاي گياهي، مقاوم نمودن گياه از طريق دستكاري ژنتيك و انتقال ژن ميباشد. توليد گياهان تراريخته حاوي ژنهاي توليدكننده پروتئينهاي سمي، كه در مقابل آفات خاصي بسيار سمّي و مؤثر بوده و در عين حال براي انسان، گياه، حيات‌وحش و حشرات مفيد، زياني ندارند، از مثال‌هاي كاربردي مهندسي ژنتيك ميباشد.
استخراج ژنBt از باكتري Bacillus Thuringiensis و انتقال آن به ذرّت، پنبه و سيبزميني باعث مقاومت آنها در مقابل حشرات شده است. اكنون ميليونها هكتار از اين قبيل گياهان در تعدادي از كشورهاي صنعتي و در حال توسعه جهان كشت ميشود. واضح است كه اين فناوري با از بين بردن نياز به استفاده از سموم شيميايي، چه خدمتي به حفظ محيط‌زيست و صرفه‌جويي اقتصادي كشاورزان مينمايد كه در بخش قبلي نيز چند مثال ذكر شد.
در دانشگاه ديويس كاليفرنيا، انتقال ژن mi به گوجه‌فرنگي و ابراز آن در برگ‌‌ها موجب مقاومت به نماتد گره‌‌زاي ريشه (Root knot) و شته ميشود، ولي اين ژن در درجه حرارت‌‌هاي بالاتر در مناطق گرمسيري غيرفعال ميشود و نياز به مطالعات بيشتر دارد.
نتقال ژن Bt به باكتري خاكزي سودوموناس فلوئورسنس (Pseudomonas fluorescence) كه با ريشه غلات و سويا همزيست ميباشد و اضافه‌كردن اين باكتري به خاك ميتواند خسارت كرم اگروتيس يا شب‌پره زمستاني (Agrotis ipsilon or Black cutworm) در غلات را كنترل كند. محققان آمريكايي با انتقال ژن Pin2 به گياه برنج باعث مقاوم شدن آن در برابر حشرات شدهاند.
انتقال ژن Bt به يك ريزسازواره درونزاد (Endophyte microorganism) كه داخل دستگاه آوندي گياهان زندگي ميكند و تكثير ميشود و آغشته‌‌سازي بذور ذرت و برنج با آنها، موجب كنترل كرم ساقه‌‌خوار ذرت و برنج ميشود. آزمايشات مزرعهاي نشان داده است كه ريزسازواره در خارج از گياه زنده نمي‌‌ماند و به گياهان تلقيح نشده همجوار نيز منتقل نميشود. بنابراين مشكل زيست‌محيطي نخواهد داشت.
2- مبارزه با علف‌هاي هرز
مهندسي ژنتيك در مبارزه با علف‌هاي هرز نيز به كمك كشاورزي آمده است. انتقال ژنهاي مقاومت به علفكش كه منشاء باكتريايي دارند، توانسته است ارقام جديدي از گياهان ذرت، پنبه، سويا و كلزاي مقاوم به علف‌كش‌هاي مهم همچون رانداپ و باستا را ايجاد نمايد. گياهان تراريخته مقاوم به علفكش اكنون بيشترين سطح كشت جهاني گياهان تراريخته را به خود اختصاص دادهاند.
3- بهبود كيفيت غذايي
تعدادي از ژنهاي مربوط به كيفيت پروتئين از جمله لگومين در نخود، فازئولين در لوبيا، زئين در ذرت، گليادين‌ها و گلوتنين‌هاي با وزن مولكولي بالا در گندم، شناسايي و همسانه‌سازي (كلون) شدهاند و در بعضي موارد (از جمله در گندم) به گياهان منتقل شدهاند. انتقال ژن پروتئين فريتين Ferritin تحت كنترل يك پيش‌‌بر در دانه برنج موجب گرديد آهن قابل استفاده (فرم فرو) آن افزايش يابد. در سوئد ژنهايي به برنج منتقل كردهاند كه موجب توليد و ذخيره بتاكاروتن در دانه ميشود. اين ماده در بدن انسان به ويتامين A تبديل ميشود و ميتواند به عنوان يك منبع تامين‌كننده ويتامين A مطرح باشد. بدين ترتيب در آينده نزديك، دانه‌هاي برنج غني از ويتامين A به ياري كساني كه غذاي اصلي آنها برنج بوده و به دلايلي از فقر ويتامين A رنج مي‌برند، خواهد شتافت.
4- تحمل نسبت به تنشهاي محيطي
حدود 80 درصد اختلاف بين مقدار محصول بدست آمده و محصول مورد انتظار از خسارات تنشهاي محيطي ناشي ميشود. اكثر موفقيتهاي كاربردي مهندسي ژنتيك در زمينه صفات تك‌ژني ساده بوده است. اما بسياري از صفات اقتصادي و مطلوب در كشاورزي از جمله تحمل به تنشهاي محيطي توسط تعداد زيادي ژن كنترل ميشوند و كار براي اصلاح اين صفات مشكل ميباشد. با اين وجود، برخي از ژن‌ها مرتبط با تنشهاي محيطي از قبيل تحمل به سرما، گرما، عناصر سنگين، شوري و خشكي شناسائي و استفاده شدهاند، ولي كاربرد تجاري از آنها بدست نيامده است.
به عنوان مثال ميتوان از انتقال ژن مانيتول (يك ژن باكتريايي) براي افزايش تحمل به شوري در توتون نام برد. همچنين مهندسي ژنتيك توانسته است سيبزميني و توت‌فرنگي مقاوم به يخبندان ايجاد نمايد. انتقال يك ژن باكتريايي به گياه تنباكو، به بقاي آن در محيط شور كمك نموده است. با توليد برنج مقاوم به شوري نيز امكان زيركشت بردن 86.5 ميليون هكتار از زمين‌هاي شور جنوب و جنوب شرقي آسيا فراهم مي‌آيد. دانشمندان ژاپني مشغول تحقيق در مورد توليد نوعي برنج پايدار در برابر خشكي و سرما و مقاوم به بيماريها هستند.
5- توليد مواد دارويي از گياهان
بكارگيري فناوري نوين زيستي علاوه بر آنكه در توسعه منابع جديد غذايي، حفظ محيط‌زيست و غيره منشاء اثرات مفيد بوده است، در ارائه راهكارهاي نوين و آسان در برقراري و حفظ بهداشت و سلامت بشر نيز موفق عمل نموده است. توليد واكسن‌هاي خوراكي و فراورده‌هاي دارويي بوسيلة گياهان نيز رويداد مهمي است كه منجر به افزايش كيفيت زندگي در كشورهاي عقبمانده خواهد گشت. براي مثال، واكسيناسيون افراد دركشورهاي در حال توسعه، نيازمند خريد سالانه واكسن از كشورهاي صنعتي است و نياز به سرمايه‌گذاري‌هاي كلان جهت ايجاد زيرساختارهاي بهداشتي و فراهم نمودن تجهيزاتي دارد كه دسترسي به آنها سهل و ارزان نيست. اما بيوتكنولوژي گياهي توانسته است پيشرفت‌هاي قابل ملاحظه‌اي در توليد واكسن‌هاي خوراكي در گياهان زراعي يا ميوهجات ايجاد كند.
توليد واكسن هپاتيت B در ذرت و موز و توليد واكسن cholera در سيبزميني، از نمونههاي اين كاربرد بيوتكنولوژي ميباشند. اين گونه واكسن‌هاي نوتركيب در مقايسه با واكسن‌هاي تزريقي از هزينه بسيار كمتري برخوردارند. نتيجه يك برآورد در آمريكا نشان ميدهد كه هزينه واكسن تزريقي هپاتيت B به ازاي هر فرد 200 دلار ميباشد ولي استفاده از موز و گوجه‌فرنگي حاوي اين واكسن (واكسن خوراكي) كمتر از 10 دلار هزينه دارد.
تغذيه از سيبزميني تراريخته حامل ژن دورگ كلراانسولين Chlora-Insuline كه گلوتاميك اسيد دكربوكسيلاز (GAD) را توليد ميكند از ابتلاء به ديابت جلوگيري مينمايد. اين مورد در صورت موفقيت ميتواند يك روش آسان و ارزان براي جلوگيري از اين بيماري باشد. لازم به ذكر است تغذيه موش‌‌هاي مستعد ديابت موجب كاهش وقوع آن و شدت پاسخ ايمني گرديد.
تنباكوي توليدكننده هموگلوبين انساني و ملانين در ايالت كاروليناي شمالي آمريكا در حال انجام آزمايشات مزرعهاي ميباشد.
6- توليد آنزيم‌ها و فرآورده‌هاي صنعتي
در حال حاضر پژوهشگران، سيستم‌هاي ويژه‌اي براي كنترل ژنهاي نوتركيب در داخل گياهان ابداع كردهاند كه آنها را قادر ساخته تا بتوانند ويژگي‌هاي موردنظر را تنها در يك قسمت از گياه به وجود آورند؛ به صورتي كه بتوان از يك گياه علاوه بر محصول اصلي و زراعي آن، فرآورده‌هاي جانبي ديگري نيز بدست آورد. اخيراً نوعي سيبزميني به‌وجود آمده است كه قابليت توليد دو نوع محصول، يكي غذايي و ديگري آنزيمي را تواماً دارا ميباشد.
آنزيمهاي صنعتي در فرمانتورها (بيوراكتورها) توليد ميشوند، اما توليد آنها بدين روش، به دو عامل گران‌قيمت يعني زمان و نيروي كار وابسته است. پژوهشگران معتقدند استفاده از گياهان به عنوان بيوراكتورها براي توليد آنزيم‌ها، آسان‌تر و ارزانتر خواهد بود. هزينه توليد يك گرم محصول با استفاده از فرمانتور 50 تا 250 دلار است در صورتي كه توليد آنزيم در گياهان، كمتر از يك پني براي هر گرم محصول هزينه در بر دارد. اين مساله تنها به سيبزميني محدود نميشود، بلكه از گياهان ديگر به‌ويژه ذرت نيز ميتوان براي توليد آنزيم در قسمت‌هاي غيرخوراكي آنها استفاده كرد. توجه به اين نكته ضروري است كه بيش از 120 ميليون تن ساقه خشك ذرت و 4 ميليون تن برگ و ساقه خشك سيبزميني در هر سال توليد ميشود كه ميتواند منبعي براي توليد مواد صنعتي باشد. علاوه بر اين، كشاورزان مي‌توانند با كشت يك گياه و صرف هزينه واحد، همزمان دو محصول را توليد كنند كه بدين ترتيب افزايش درآمدي بالغ بر 100 تا 200 دلار در هر ايكر (واحد سطح) را به دنبال خواهد داشت. مشاهده ميشود كه چنين دستاوردهايي علاوه بر كاهش بسياري از هزينه‌ها، موجب آشتي هر چه بيشتر تكنولوژي و طبيعت نيز ميشود.
همچنين ميتوان از توليد آزمايشي پلاستيك توسط گياه خردل در دانشگاه استنفورد آمريكا و استخراج روغن صنعتي توسط پژوهشگران اسكاتلندي از طريق دستكاري ژنتيكي گياه Meadow Foam نام برد.
پژوهشگران اكنون بدنبال گياهاني مانند Thaumatococcus danielli هستند كه توليد پروتئين تاوماتين Thaumatin آن حدود 2500 مرتبه از شكر شيرين‌تر ميباشد و مبداء آن در آفريقا است.
7- كاهش نياز گياهان به كودهاي شيميايي
در زمينه دست‌ورزي سيستم تثيبت ازت و جذب فسفر و پتاسيم نيز ژنهايي شناسايي و همسانه‌سازي شدهاند و مطالعاتي در حال انجام ميباشد. به عنوان مثال، ژنهاي ترانسپورتر فسفات از آرابيدوپسيس جداسازي و كلون شدهاند و وجود چنين ژني در گوجه‌فرنگي نيز گزارش شده است. چنين راهبردهايي در آينده ميتواند نقش مهمي در حل مشكلات حاصلخيزي خاك و كاهش نياز گياهان به كودهاي شيميايي ايفا نمايد.
ب) كاربرد نشانگرهاي مولكولي (پروتئين و دي.ان.آ)
نشانگرهاي مولكولي، يك وسيله و ابزار مفيد و دقيق ميباشند كه روشهاي مبتني بر استفاده از آنها به عنوان مكمل روشهاي سنتي و كلاسيك در سرعت بخشيدن به برنامههاي بهنژادي، افزايش دقت و صرفه‌جويي در نيروي كار و هزينه‌ها نقش چشمگيري دارند. پيدايش تكنيك PCR و نشانگرهاي مولكولي ديانآ در اوايل دهه 80 ميلادي و تكامل تدريجي آنها به كمك ابداع ابزارها و وسايل نوين پيشرفته باعث گرديد كه مفاهيم ژنوميكس، بيوانفورماتيكس و پروتئوميكس در اواسط دهه 90 به عرصه بيولوژي مولكولي وارد شوند و باب‌هاي جديدي از كاربردهاي بيوتكنولوژي نوين گشوده شود. مجموعه اين دستاوردها موجب شد كه پايان قرن بيستم با اتمام پروژه‌هاي بررسي ژنوم چندين موجود و از جمله انسان، آرابيدوپسيس و برنج مصادف شود.
اگرچه برخي از متخصصين، نشانگرهاي بيوشيميايي شامل آيزوزايم‌‌ها و پروتئينهاي كلي و ذخيره‌اي را كه از اواسط دهه 1950 ميلادي معرفي شدهاند به عنوان نشانگرهاي مولكولي مي‌شناسند، اما امروزه واژه نشانگرهاي مولكولي بيشتر با نشانگرهاي ديانآ مترادف ميباشد.
انواع مختلفي از نشانگرهاي مولكولي ديانآ (DNA) تا به امروز معرفي شدهاند و دقيقترين ابزار را براي بررسي ساختار ژنتيكي موجودات فراهم نمودهاند. نشانگرهاي اراف‌ال‌پي (RFLP)، رپيد (RAPD)، SSR، AFLP ،STMS، ESTs و ALP از مهمترين نشانگرهاي ديانآ محسوب ميشوند.
نشانگرهاي مولكولي در عرصه مطالعات ژنتيك، سيتوژنتيك، رده‌بندي و بهنژادي، داراي كاربردهاي متعددي هستند كه دو مورد از مهمترين آنها به شرح زير ميباشند:
1. بررسي روابط خويشاوندي و روند تكاملي: شناخت تنوع ژنتيكي و طبقهبندي ذخائر توارثي، يك امر زيربنايي و پايه براي طراحي موفق برنامههاي بهنژادي ميباشد و همچنين در آسان نمودن مديريت حفظ و نگهداري مجموعه‌هاي ژنتيكي نقش بسزايي دارد. بررسي‌‌هاي تنوع ژنتيكي و طبقهبندي از طريق نشانگرهاي مولكولي به طور گسترده‌‌اي در ساير كشورها براي اكثر گياهان انجام شده است. انجام اين كار در مورد ذخاير توارثي گياهان نيز جنبه بنيادي-كاربردي دارد و براي كمك به طراحي برنامههاي بهنژادي، بسيار ضروري است. همچنين ميتوان با شناسايي و حذف نمونههاي تكراري موجود در بانك ژن از هزينههاي اضافي براي تكثير و نگهداري آنها جلوگيري نمود.
2. تعيين نقشه ژنتيكي (جايگاه كروموزومي و پيوستگي ژن‌ها): تعيين نقشه ژنتيكي موجودات در مطالعات ژنتيك پايه و بهنژادي اهميت دارد. نقشه‌يابي و تعيين توالي ژنوم گياهان همچنين به روشن شدن عمل ژن و تنظيم ابراز آن كمك ميكند.
امروزه رديابي صفات مطلوب و سهولت انتخاب به كمك نشانگرها (MAS or Marker-aided selection) از طريق تعيين پيوستگي (لينكاژ) آنها با صفات مهم زراعي (كمي و كيفي) امكانپذير شده است. اين موضوع، امكان گزينش سريع و دقيق ژنوتيپهاي مطلوب را در مراحل اوليه رشد فراهم كرده و طول دوره بهنژادي را كوتاه مينمايد. اين مقوله به خصوص طي سال‌هاي اخير به شدت مورد توجه قرار گرفته است و موفقيتهاي زيادي از قبيل تشخيص گياهان مقاوم به يك آفت يا بيماري كه در برنامههاي بهنژادي و اجراي مقررات قرنطينه نباتي اهميت دارند، بدست آمده است. اين جنبه كاربردي در گياهان چندساله و به‌خصوص درختان كه اغلب طول دوره جواني در آنها زياد ميباشد، اهميت بيشتري دارد و باعث افزايش دقت و صرفه‌جويي در زمان، نيروي كار، هزينه‌ها و امكانات مزرعهاي ميشود.
شناسه‌‌هاي مولكولي (Molecular tags) براي بسياري از صفات در گياهان زراعي توسط انواع مختلف نشانگرهاي مولكولي تهيه شده است. مثالهايي از پيوستگي نشانگرهاي مولكولي بيوشيميايي و دي-ان-آ براي برخي از صفات مهم در گياهان مختلف از قبيل گوجه‌فرنگي، گندم، ذرت، جو، سويا، نخودفرنگي و برنج كه در انتخاب به كمك نشانگرها (MAS) قابل استفاده هستند وجود دارند. انتخاب به كمك نشانگرها به‌خصوص براي شناسايي صفات كمي و مقاومت گياهان به آفات و بيماريها سودمند ميباشد. اگرچه روشهاي مرسوم (سنتي) براي ارزيابي مقاومت به آفات و بيماريها توانسته‌‌اند نتايج بسيار خوبي ارائه دهند ولي اغلب به هزينه و زمان زياد نياز دارند. همچنين هميشه گياهاني هستند كه از نظر ژنتيكي حساس هستند اما از بيماريها يا آفات فرار ميكنند و حساسيت آنها در نسل‌‌هاي بعدي بروز ميكند.
لازم به ذكر است از اواخر دهه 1980 ميلادي شناسايي مكانهاي ژني صفات كمي (QTLs) از طريق پيوستگي با نشانگرهاي مولكولي مورد توجه واقع شده است. بسياري از مكانهاي ژني صفات كمي توسط اين نشانگرها در تعدادي از محصولات زراعي از قبيل گوجه‌فرنگي، ذرت، جو و برنج شناسايي شدهاند. نشانگرهاي مولكولي پيوسته با صفات كمي همچون مقدار مواد جامد در گوجه‌فرنگي، برگرداندن باروري و سازگاري وسيع دورگ و عدم عقيمي، مقاومت به خشكي، شكل ريشه، زمان خوشه‌دهي و ريزش در برنج گزارش شدهاند. همچنين تعيين كيفيت نانوايي گندم و تشخيص گندم نان از گندم دوروم توسط بررسي واحدهاي گلوتنين از پروتئينهاي ذخيره‌اي دانه گندم امكانپذير ميباشد.
ج) كشت سلولها و بافتهاي گياهي
كشف پديده توتي پوتنسي (Totipotency) يا توانايي يك سلول در ايجاد يك موجود كامل باعث شد تا در اواخر دهه 1960 ميلادي روشهاي كشت سلول، بافت‌‌ها و اندامهاي گياهي توسعه يابند. اين روش‌ها به نام كشت بافت موسوم ميباشند. فنون كشت سلول و بافت در اواخر دهه 70 توسعه يافتند و تكثير گياهان با روش مذكور از اوايل دهه 80 ميلادي رايج شد. همچنين توسعه روشهاي انتقال ژن و مهندسي ژنتيك و ايجاد گياهان و جانوران تراريخته بدون فنون كشت سلول و بافت امكانپذير نبود. شناخت سريع كاربردهاي وسيع فنون كشت بافت توسط متخصصين موجب گرديد تا اين فنون به‌سرعت گسترش يابند. به طوري كه شايد امروزه از فعاليت‌‌هاي ساده و معمول بيوتكنولوژي به‌خصوص براي بهنژادي گياهان به‌شمار مي‌‌آيند.
بسياري از كاربردهاي كشت بافت گياهي در زمينه اصلاح و بهبود گياهان كشاورزي از اواخر دهه 1980 ميلادي در سطح وسيع جنبه كاربردي پيدا نمودهاند. برزيل به كمك فنون كشت بافت توانسته است رقم‌‌هايي از نيشكر بدست آورد كه عملكرد بيشتري دارند و به علفكش نيز مقاوم هستند. كشور مكزيك در زمينه كشت بافت براي توليد ميوهجات و گلهاي زينتي براي صادرات فعاليت ميكند. هلند سالانه مقادير بسيار زيادي بذر سيبزميني عاري از ويروس و انواع گلهاي زينتي را كه از طريق ريزازديادي تكثير شدهاند به كشورهاي ديگر صادر ميكند. رقم گندم زيائويان6 (Xiaoyan6) در چين از تلاقي T. aestivum x Agropyron elongatum و بكارگيري فن نجات جنين توليد شده است كه 38 ميليون هكتار سطح زيركشت دارد و افزايش عملكرد ناشي از آن حدود 16 ميليون تن (420 كيلوگرم در هكتار) بوده است.
يك شركت چند مليتي با استفاده از روشهاي كشت بافت و سلول، ساليانه بيش از يك ميليون اصله نهال نخل روغني توليد و تكثير مينمايد و به كشورهاي جهان سوم صادر ميكند. سرعت عمل، خالص بودن و سالم بودن باعث ميشود محصول (در مقايسه با كشت و تكثير معمولي نخل) حدود 30 درصد افزايش يابد. در كره از طريق كشت بافت سيبزميني طي سال‌هاي 1981 تا 1986 ميزان محصول از 12 به 26 تن در هكتار رسيده است.
برخي از كشورها از كشت بافت و روش Cryopreservation (نگهداري بافتهاي زنده گياهي در شرايط سرماي زياد) براي استفاده در بانك ژن نگهداري طولاني مدت جهت حفظ ذخاير ژنتيكي گياهاني كه از طريق غيرجنسي تكثير ميشوند و يا نگهداري بذور آنها به روشهاي معمول در بانك ژن مشكل و پرهزينه ميباشد، استفاده نمودهاند.
برخي كاربردهاي كشت بافت گياهي
در ادامه، برخي از مهمترين كاربردهاي كشت بافت گياهي و فوايد اقتصادي آنها مورد بررسي قرار مي‌گيرد:
1- توليد گياهان دابلهاپلوئيد
لاينهاي دابلهاپلوئيد (Double haploids) از طريق كشت اندامهاي هاپلوئيد (دانه گرده، بساك، پرچم و غيره) و يا توسط تلاقيهاي بين‌گونه‌‌اي و بين‌جنسي (روش حذف كروموزومي) توليد ميشوند.
اين روش، طول دوره بهنژادي را از حدود 12-10 سال (در برنامههاي بهنژادي سنتي و كلاسيك) به 7-6 سال كاهش ميدهد و لاينهاي صددرصد خالص (هموزيگوس) ايجاد مينمايد. بنابراين روش دابل‌هاپلوئيدي ميتواند سريع‌تر از روشهاي سنتي، رقم جديد را معرفي نمايد.
توليد رقمهاي دابلهاپلوئيد در گندم، جو، برنج، كلزا، ذرت، نيشكر، سويا، انگور و سيب گزارش شده است. در چين رقمهاي جديد برنج دابلهاپلوئيد حاصل از كشت دانه گرده و بساك در سطح ميليونها هكتار كشت ميشوند. در فرانسه نيز دو رقم كلزا كه به طور غالب كشتوكار ميشوند و يك رقم گندم و همچنين در كانادا دو رقم جو از اين طريق توليد شدهاند.
در ايران نيز چندين لاين اميدبخش گندم دابلهاپلوئيد از طريق روش حذف كروموزومي (تلاقي گندم x ذرت) توليد شده است كه احتمال ميرود در سال‌هاي آينده به عنوان رقم جديد معرفي شوند.
2- ريزازديادي و تكثير انبوه گياهان
ريزازديادي (Micropropagation) و تكثير سريع و انبوه ژنوتيپهاي مطلوب و توليد گياهان يكسان (Clone propagation) عاري از بيماري (به‌خصوص عاري از ويروسها) از طريق كشت بافت و اندامهاي مختلف گياهي در بسياري از گياهان مهم اقتصادي امكانپذير ميباشد. به‌عنوان مثال ميتوان به توليد سريع و انبوه سيبزميني، خرما، موز، نخل روغني، توت‌فرنگي، سيب، مارچوبه و نيشكر از گياهان زراعي و باغي؛ اوكاليپتوس و سپيدار، از درختان جنگلي و رز، اركيده، ميخك، داودي، شمعداني، ژربرا، ديفن‌باخيا، دراسنا، بنفشه آفريقايي، آنتوريوم، كوكب، انجيرزينتي (فيكوس)، فيلودندرون و سينگونيوم از گل‌ها و گياهان زينتي اشاره نمود.
اين روش علاوه بر تكثير سريع و توليد گياهان عاري از عوامل بيماريزا، در اكثر گياهان چندساله از جمله خرما و گردو باعث كاهش دوره نونهالي و زودباردهي آنها ميشود. همچنين فضاي بسيار كمتري براي تكثير نياز ميباشد.
پيرتروم حشره‌كشي طبيعي است كه از گلهاي خشك نوعي از گياه داودي (Charanthemum cineraiaepolium) به دست مي‌آيد. كشور كنيا بزرگترين توليدكننده آن ميباشد كه تجارت سالانه آن از طريق ريزتكثيري حدود 75 ميليون دلار ميباشد.
طي يك دوره هشتماهه، از يك غده سيبزميني عاري از ويروس حاصل از كشت مريستم انتهايي، تعداد 2 ميليارد غده سالم يكسان در يك مساحت 40 هكتاري بدست آمد. اين سرعت تكثير 100 هزار برابر بيشتر از سرعت توليد مثل جنسي است.
يك نخل روغني توسط كشت يك قطعه از بافت برگ توانست طي يكسال حدود 500 هزار گياه يكسان مقاوم به فيلاريوسيس با توليد روغن 6 تن در هكتار را تامين كند (اين مقدار روغن 30-6 برابر بيشتر از ساير گياهان اصلي توليد كننده روغن مانند آفتابگردان و سويا ميباشد). همين روش براي تكثير رقمهاي جديد نارگيل نيز به كار ميرود. كشت مريستم انتهايي و يا جوانه‌هاي جانبي و توليد و تكثير گياهان عاري از بيماري و ويروس در بيش از 50 نوع گياه شامل سيبزميني، توت فرنگي، انگور، ليمو، كاساوا، سيبزميني شيرين، موز و غيره امكانپذير ميباشد.
3- تنوع سوماكلونال
القاي تنوع رويشي يا سوماتيكي (Soamaclonal variation) با هدف ايجاد تنوع جديد و يا انتخاب تنوع موجود و گزينش ژنوتيپهاي مطلوب (مقاومت به تنشهاي زنده و غيرزنده، كيفيت بهتر و غيره) در درون محيط‌كشت (Invitro selection) انجام ميشود.
كشت سلولها و بافتهاي گياهي در محيط‌كشت مصنوعي و در شرايط خاص باعث بروز تغييرات ژنتيكي در آنها ميشود. بنابراين جهت ايجاد تنوع و انتخاب گياهان واجد صفات تغييريافته و جديد از قبيل گياهان مقاوم به شوري، خشكي، گرما، سرما و مقاومت به آفات و بيماريها و يا بهبود كيفيت مواد غذايي از اين روش‌ها استفاده گرديده است كه در بعضي از زمينه‌ها، رقمهاي تجاري نيز توليد شده است. طي دهه اخير نيز اين گونه پژوهش‌ها با شدت بيشتر دنبال ميشود. با توجه به وجود اكثر مشكلات فوق در كشور، بكارگيري اين فنون در ايران نيز ميتواند پتانسيل اقتصادي قابل توجهي به دنبال داشته باشد.
از ايجاد رقمهاي جديد تجاري توسط تنوع سوماكلونال ميتوان به موارد زير اشاره نمود:
- گوجه‌فرنگي داراي رنگ، طعم و بافت عالي كه ميتواند 14-10 روز پس از برداشت (بدون آسيب) نگهداري شود.
- فلفل شيرين با اندازه ريز، بدون دانه، تغيير درجه شيريني و رنگ قرمز تيره از طريق كشت بساك به مرحله تجاري رسيده است.
- رقمهاي هويج و كرفس تردتر و شيرين‌تر به بازار عرضه شده است.
- يك رقم برنج ديررس و يك رقم پاكوتاه در ژاپن بدست آمده است.
- لاينهاي متحمل به شوري در برنج ايجاد شده است.
- توليد رقمهاي تجاري داراي صفات مطلوب در سيبزميني، نيشكر، برنج، ذرت، جو، گندم، تنباكو، شبدر، يونجه، كلزا، يولاف و گوجه‌فرنگي نيز از اين روش گزارش شده است.
4- دورگگيري سوماتيكي و امتزاج پروتوپلاست
دورگگيري سوماتيكي (Somatic hybridization) و امتزاج پروتوپلاست (Protoplast Fusion) در جنس‌ها و گونه‌هايي انجام ميشود كه تلاقي‌پذيري ندارند. اين كار به منظور دستكاري گونههاي گياهي و در جهت افزايش تنوع ژنتيك و ايجاد صفات و يا گياهان جديد و توليد سيبريدها (دورگهاي سيتوپلاسمي) استفاده ميشود. اين فنون با رفع محدويت تلاقيهاي بين‌گونه‌‌اي و بين‌جنسي از طريق كشت تخمك نارس يا بالغ، گرده‌افشاني در محيط مصنوعي (Invitro Pollination) و يا بكارگيري فنون نجات (يا كشت) جنين (Embryo rescue) مي‌توانند به عنوان مكمل روشهاي اصلاح سنتي عمل نمايند.
اگرچه به‌نژادگران اميدواري زيادي به اين فنون دارند، ولي تاكنون موفقيت كاربردي چنداني نداشته است. از جمله صفاتي كه در اين روش براي انتقال مورد توجه هستند، ميتوان تحمل به تنشهاي محيطي از قبيل سرما، شوري، خشكي و مقاومت به آفات و بيماريها را نام برد.
ايجاد دورگهاي سوماتيكي به روش امتزاج پروتوپلاست در بيش از 30 گونه و 12 جنس انجام شده است. پوميتو (Pomato) تنها گياه جديدي است كه از طريق امتزاج پروتوپلاست گوجه‌فرنگي و سيبزميني توليد شده است ولي هنوز بهره‌برداري كشاورزي ندارد.
5- توليد متابوليت‌‌هاي ثانويه (Secondary metabolites)
گياهان در طول زندگي خود برخي از مواد آلي شيميايي پيچيده توليد ميكنند كه در رشد و نمو و فعاليت‌‌هاي حياتي گياه نقشي ندارند و به آنها متابوليت‌‌هاي ثانويه گفته ميشود. مواد معطر، مواد موثره دارويي، فرمون‌‌ها، حشره‌‌كش‌‌ها، علفكشها، قارچ‌‌كش‌‌ها، هورمون‌‌هاي گياهي و مواد آللوپاتيك (ايجاد كننده انواع مقاومت‌‌ها و يا بازدارنده رشد و نمو) از اين جمله هستند (جدول4). توليد انبوه و سريع اين مواد پيچيده در مقياس زياد از روشهاي شيميايي آزمايشگاهي، مشكل و يا غيرممكن ميباشد. از سوي ديگر، به دليل گسترش مصرف مواد دارويي و صنعتي، نياز به مواد جديد با تاثيرات بيشتر از منابع متنوع تجديدشونده شيميايي با عوارض زيست محيطي كمتر و روشهاي استخراج آسان و اقتصادي ضروري ميباشد. بيوتكنولوژي و از جمله كشت بافتهاي گياهي براي توليد آسان و انبوه متابوليت‌‌هاي ثانويه، يك راه‌حل مناسب و ارزانتر براي اين مشكل ميباشد.
جدول 4 ميزان توليد برخي از متابوليت‌‌هاي ثانويه را از طريق كاشت گياه كامل و كشت بافت با هم مقايسه ميكند. همانطور كه مشاهده ميشود، ميزان توليد از طريق كشت بافت 10-3 برابر بيشتر از كاشت گياه كامل ميباشد.
قيمت متابوليت‌‌هاي ثانويه نيز بسيار گران ميباشد، به طوري كه فروش محصولات دارويي مانند شيكونين (Shikonin) يا ديجي‌‌توكسين (Digitoxin) و يا عطرهايي همچون روغن جاسمين (Jasmin) از چند دلار تا چند هزار دلار به ازاي هر كيلو تغيير ميكند. به عنوان مثال قيمت هر كيلو از داروهاي ضد سرطان مانند وين‌بلاستين (Vinblastin)، وين‌كريستين (Vincristin) و تاگزول (Taxol) به چند هزار دلار مي‌‌رسد. جدول 5 ميزان فروش جهاني برخي از متابوليت‌‌هاي ثانويه را بيان مينمايد و هر كدام مبالغ هنگفتي را به خود اختصاص دادهاند.
مآخذ
1- بهمن ابراهيمي، 1381. مروري بر حوزههاي مختلف كاربرد بيوتكنولوژي. شبكه تحليلگران تكنولوژي ايران.
2- اكبر شاهسواران، 1380. كاربردهاي بيوتكنولوژي گياهي و اهميت آن براي كشور. شبكه تحليلگران تكنولوژي ايران.
3- سيدمهدي علوي، 1381. نمونههايي از دستاوردهاي بيوتكنولوژي نوين و لزوم توجه به آن در كشور. شبكه تحليلگران تكنولوژي ايران.
4- سيدمهدي علوي، 1381. بيوتكنولوژي, راهكار مؤثر در توسعة كشاورزي و ايجاد امنيت غذايي. شبكه تحليلگران تكنولوژي ايران.
5- اسماعيل كفايتي، 1381. استفاده از گياه به جاي فرمانتور، در توليد آنزيمهاي صنعتي. شبكه تحليلگران تكنولوژي ايران.
6- محمد ميردريكوند، نصرت‌الله ضرغام و بهزاد قره‌ياضي، 1378. بررسي پتانسيل اقتصادي بيوتكنولوژي كشاورزي در ايران. كميسيون بيوتكنولوژي شوراي پژوهش‌هاي علمي و موسسه تحقيقات بيوتكنولوژي كشاورزي.
7- James, C., 1999. Global review of commercialized transgenic crops (preview). ISAAA Briefs, No.12. ISAAA Ithaca, NY.USA. 8p.
8- James, C. 2002. Global review of commercialized transgenic crops: 2001. ISAAA Briefs No. 24: Preview. ISAAA Ithaca, NY. ISAAA.org - International Service for the Acquisition of Agri-biotech Applications (http://www.isaaa.org)/
9- James, C. 2000a. Global status of commercialized transgenic crops: 1999. ISAAA Briefs No. 17. ISAAA Ithaca, NY. http://www.isaaa.org./publications/briefs/Brief_17.htm
10- James, C. 2000b. Global status of commercialized transgenic crops. ISAAA Briefs No. 21: Preview. ISAAA Ithaca, NY. http://www.isaaa.org/publications/briefs/Brief_21.htm
11- Mohan, M., S. Nair, A. Bhagwat, T. G. Krishna, M. Yano, C.R. Bhatia and T. Sasaki, 1997. Genome mapping, molecular markers and marker-assisted selection in crop plants, Mol. Breed. 3: 87-103