moji5
15th April 2010, 01:44 AM
معاونت علمی و فناوری ریاست جمهور ی
ستاد توسعه زيست فناوری
كمیته ترویج و ارتباطات
بیوتكنولوژی (فناوری زیستی)
و
اهمیت آن در كشاورزی
مقدمه
بیوتكنولوژی (فناوری زیستی) فناوری مولود تلفیق علوم زیستی و دانسته های كشاورزی، پزشكی و فنی مهندسی است و مبتنی بر استفاده از موجودات زنده و یا محصولات آنها برای تولید مواد، فراورده ها، خدمات رسانی و رفع نیازمندهای بشر و یا محیط زیست می باشد كه به عنوان یكی از هفت رشته كلیدی جهان شناخته می شود. استفاده از این فناوری در دهه های گذشته منحصر به كشور های توسعه یافته نبوده و كشور های در حال توسعه نیز نیاز به استفاده از ان را احساس كرده و با سرمایه گذاری درا ین بخش بدنبال دست یابی به آن بوده اند. شاید به جرات بتوان گفت كه مهمترین كاربرد بیوتكنولوژی در بخش كشاورزی می باشد بطوریكه امروزه پیشرفت کشاورزی در دنیا مرهون دستاوردهای علمی در تولید و سرمایه گذاری در این حیطه باشد. زیست فناوری کشاورزی می تواند در عرصه های مختلف كشاورزی شامل گیاهی، حیوانی، میكروبی، تولیدات غذایی و تولید فراورده های جدید و محیط زیست كاربرد داشته باشد. جوامعی كه قابلیت بیشتری در علم و تكنولوژی داشته باشند از دستاورد ها و منافع حاصل از زیست فناوری بیشتر بهره مند می شوند. استفاده از این فرصت و بهره مندی نیاز به ایجاد زمینه و شرایط لازم دارد. نیروی انسانی توانا و مجهز به علم و تلاش در جهت ایجاد تكنولوژی مبتنی بر علم راه را برای تجاری نمودن تكنولوژی و استفاده جمعی در سطوح ملی از منافع حاصل از آن را باز می كند.
ذیلا كاربردهای مختلف زیست فناوری در كشاورزی اشاره شده است:
الف. كشت بافت گیاهی (ریزازدیادی) و کاربردهای آن در کشاورزی:
تکنیک کشت بافت گیاهی كه بدلیل خصوصیت توتی پتنسی (توانایی سلول های موجودات زنده برای ایجاد یك موجود كامل) موجودات زنده مخصوصا گیاهان استوار می باشد، در سه دهه اخیر توانسته است كاربردها ی بسیار گسترده ای در كشاورزی داشته باشد. در این تكنیكها، بافت یا سوسپانسیون سلولی گیاهی ضدعفونی شده و سپس تحت شرایط استریل درون ظروف كشت بر روی محیط غذایی مناسب قرار داده میشود. محیط كشت شامل نمکهای معدنی، ویتامینها و شکر به اضافه تنظیم کننده های مصنوعی و طبیعی رشد گیاه می باشد، که میتواند رشد گیاه را برای برطرف کردن نیازهایش جهت نیل به یک هدف خاص کنترل کند، به این نوع کشت، كشت "درون شیشه‌ای" میگویند. كشت بافت گیاهی گستره وسیعی را در بر میگیرد كه شامل كشت پروتوپلاست، سلول، بافت و اندام گیاهی است. كشت بافت همچنین پیش نیاز مهندسی ژنتیك است زیرا از سلول تغییر یافته باید بتوان یك گیاه كامل بوجود آورد.
روشهای كشت‌بافت كه از ده‌های گذشته مورد استفاده قرار گرفته و در حال حاضر می توان گفت به مرحله بلوغ خود رسیده‌است در كشورهای توسعه یافته و نیز در حال توسعه خصوصا كشورهای آسیایی به صورت گسترده مورد توجه قرار گرفته‌است. از آنجا كه كاربرد كشت‌بافت وسایل مورد نیاز گران‌قیمتی را نیاز ندارد این روش میتواند نقش كار بردی مناسبی را در كشورهای در حال توسعه ایفا نماید. درحال حاضر كشت بافت و بویژه ریزازدیادی یكی از گسترده ترین كاربردهای بیوتكنولوژی است. كشت بافت و ریزازدیادی مهم ترین تكنیكهای استفاده شده برای تكثیر سریع غیرجنسی در شرایط درون شیشه‌ای است. این روش از نظر زمان و فضای مورد نیاز برتری اقتصادی دارد و بازده بیشتر افزونه‌های الیت و عاری از بیماری را برای ما فراهم میكند. انتقال بی‌خطر و قرنطینه ژرم پلاسم را در داخل كشور و بین كشورهای دیگر تسهیل مینماید. زمانیكه روشهای سنتی قادر به تامین تقاضا برای تكثیر مواد گیاهی نمی‌باشند، این روش می تواند میلیونها گل و گیاه را با عملكرد بالا و به صورت یكنواخت تولید نماید. در حال حاضر تقریبا ریزازدیادی همه میوه جات و سبزیجات امكانپذیر است. تولید مواد گیاهی عاری از ویروس با استفاده از كشت مریستم در خیلی از گیاهان زراعی و باغی امكان پذیر شده است.
نجات جنین جنبه دیگری از كاربردهای كشت بافت است جایی كه بهنژادگران گیاهی تلاقی‌هایی انجام میدهند كه جنین قادر به ادامه رشد به حالت معمولی نیست و سقط میشود، كشت بافت می تواند این جنین‌ها را نجات داده و از آنها گیاه تهیه شود. همچنین كشت جنینهای جداشده در مراحل مناسب نمو میتواند مشكلات موجود در ناسازگاریهای بعد از تشكیل تخم را مرتفع سازد. این روش در مورد گونه‌های باغی و با عمر طولانی بسیار مهم و معنی داراست. بسیاری از گونه‌های لگوم مناطق خشك به طور موفقیت آمیزی از لپه، هیپوكوتیل، برگ، تخمدان، پروتوپلاست، دمبرگ، ریشه، بساك و .... باززایی شدهاند.
تولید گیاهان هاپلویید از طریق كشت بساك یا گرده یكی دیگر از جنبه‌های مهم در بهنژادی گیاهان زراعی و باغی شناخته میشود. مزیت این روش در سرعت عمل و اقتصادی بودن آن است. هموزیگوسیتی كامل نتاج، به انتخاب فنوتیپی مناسب برای صفات كمی و بویژه صفات كیفی به ارث رسیده كمك میكند و در نتیجه كار اصلاح را فوق العاده ساده‌تر مینماید. جداسازی، كشت و آمیزش موفق پروتوپلاست‌ها در انتقال نر عقیمی سیتوپلاسمی برای بدست آوردن هیبریدهای با بنیه بیشتر از طریق بازتركیبی میتوكندریایی و نیز در انتقال ژن در گیاهان بسیار مفید بوده است.
نگهداری درون شیشه ای ذخایر ژنتیكی ارزش زیادی در ارائه راه حل و نیز به عنوان روشی جایگزین برای غلبه بر موانع و مشكلات مدیریت ذخایر ژنتیكی است. در گیاهانی كه به طور رویشی تكثیر میشوند و نیز در گیاهانی كه بذور ریكلسیترنت تولید میكنند و در گیاهان دایمی (چندساله) كه هتروزیگوسیتی زیادی دارند، نگهداری بذر به عنوان ذخایر ژنتیكی مناسب نمی‌باشد. در چنین محصولاتی به طورخاص ذخیره درون شیشه‌ای اهمیت كاربردی فوق العاده‌ای دارد. موفقیت این روشها در مورد چندین محصول زراعی و باغی اثبات شده است و در حال حاضر مراكز مختلف كلكسیون درون شیشه‌ای ذخایر ژرم پلاسم موجود میباشد. نگهداری درون شیشه‌ای ذخایر ژنتیكی كار مبادله مواد گیاهی عاری از آفات و بیماریها را ساده‌تر كرده و به داشتن قرنطینه بهتر كمك میكند.
بهنژادگران گیاهی به طور مداوم به دنبال منابع تنوع ژنتیكی جدیدی هستند كه پتانسیل مفیدی برای اصلاح و بهنژادی گیاهان را داشته باشند. بخشی از گیاهان كه از طریق كشت بافت باززایی میشوند اغلب تغییرات فنوتیپی متفاوتی با فنوتیپ گیاه اصلی نشان می دهند. چنین تنوعی كه به اصطلاح تنوع سوماكلونی گفته میشود ممكن است وراثت‌پذیر باشد یعنی به طور ژنتیكی ثبات داشته و به نسل بعدی منتقل شود. متقابلا تنوع ممكن است اپیژنتیكی باشد و در تولید مثل جنسی ناپدید شود و به نسل بعد منتقل نشود. تنوع وراثت‌پذیر به طور بالقوه برای اصلاح گران مفید میباشد.
مهمترین كاربردهای كشت‌بافت گیاهی
ازدیاد سریع و انبوه گیاهان همگروه (كلون) و تولید گیاهان عاری از بیماری:
فن‌آوری كشت بافت برای تكثیر انبوه در كاربردهای صنعتی به خوبی مورد بهره‌برداری قرار گرفته‌است. ریزازدیادی تجارتی گیاهان به منظور عاری نمودن آنها از عوامل بیماریزا، تولید پایدار در طول سال، كیفیت بالا، تولید گیاهان یكسان ژنتیكی و سایر خصوصیات زراعی و باغبانی مطلوب انجام شده‌است. كاربرد این روش در بسیاری از گیاهان مهم اقتصادی امكان پذیر است. بعنوان مثال می توان به تولید سریع و انبوه سیب زمینی، توت فرنگی، موز، نخل روغنی، خرما، مارچوبه و نیشكر از گیاهان زراعی و باغی، اوكالیپتوس و سپیدار از درختان جنگلی، دیفن باخیا، دراسنا، انجیر زینتی(فیكوس) ، اركیده، فیلودندرون، داودی، شمعدانی، رز، میخك، كوكب، ژربرا و سینگونیوم از گلها و گیاهان زینتی در سطح دنیا اشاره كرد كه منجر به معرفی پروتكل و تولید انبوه شده است. این روش علاوه برتكثیر سریع و تولید گیاهان عاری از عوامل بیماریزا، در اكثر گیاهان چند ساله باعث كاهش دوره نونهالی و زود بازدهی آنها می شود بعلاوه برای تكثیر آنها به فضای بسیار كمتری نیاز می باشد.
بیماریهای ویروسی در كشاورزی و باغبانی ضایعات زیادی را بوجود می آورند. درصورتیكه بتوانیم مجموعه بسیار كوچك سلولی كه هنوز به بیماری آلوده نشده است از گیاهان بیمار جدا كنیم می توان مجموعه گیاهی سالم و جدیدی را از آنها بوجود آورد. سلولهای آلوده نشده به بیماری اغلب فقط در بافت سلولی منطقه راس ساقه یافت می شوند زیرا كه سرعت تقسیم سلولهای بافت مریستم بیش از سرعت اشاعه عامل بیماری از یك سلول به سلول دیگر می باشد. بعنوان مثال تولید غده های بذری عاری از ویروس در سیب زمینی در افزایش عملكرد آن تاثیر به سزایی دارد.
ایجاد گیاهان عاری از بیماری جهت استفاده ملی و تبادلات بین المللی لازم و ضروری است. از آنجا كه بافتهای كشت شده در "درون شیشه" برای زنده‌ماندن و رشد كردن باید عاری از هر گونه عوامل بیماری باشند. در عملیات كشت‌بافت آلودگی‌های ظاهری با ضدعفونی سطحی ریزنمونه‌ها حذف میشوند. بیشتر آفات قارچی، باكتریایی، نماتدها و حشرات نیز در مسیر كشت‌بافت با استفاده از تكنیك كشت مریستم، تیمار گرما درمانی، استفاده از آنتی بیوتیك‌ها و ضد قارچها (آنتی میكوت‌ها) حذف می‌گردند. اما ویروسها، ویروئیدها و مایكوپلاسماهای خاص در درون گیاه می‌توانند باقی مانده و تكثیر شوند. روشهای حذف ویروسها شامل تیمارهای حرارتی و شیمیایی میباشند كه پس از اعمال تیمار، آزمون‌های نموده‌سازی ویروس برای اطمینان از سلامت مواد گیاهی به كار گرفته میشوند. روشهای مختلف مانند استفاده از گیاهان محك، میكروسكپ الكترونی، تجزیه اسید نوكلئیك و آزمون‌های سرولوژیكی مانند آزمون الیزا (ELISA) برای نموده‌سازی از نظر ویروس مورد استفاده قرار میگیرند.
ذخیره ژرم‌پلاسم و نگهداری درازمدت گیاهان پایه:
ذخیره سازی و نگهداری چندین ساله بذور گیاهانی كه از طریق بذر تكثیر می یابند در صورت آماده بودن انبارهای مناسب معمولا به راحتی امكان پذیر است. ولی این مطلب در مورد گیاهانی كه تكثیر آنها بطور رویشی انجام می گیرد صدق نمی نماید زیرا در چنین مواردی دو عامل وجود دارد كه نگهداری گیاه مادر را مشكل می نماید اولا جلوگیری از آلوده شدن گیاهان پرارزش به بیماریهای مختلف در مزرعه و گلخانه كه مستلزم مبارزه با عوامل بیماریزا، آفات، ضد عفونی خاك و انتخاب گیاهان می باشد، ثانیا در گیاهانی كه بایستی در گلخانه نگهداری شوند هزینه های لازم طی چندین سال بسیار زیاد می باشد. لذا بمنظور حل مشكلات فوق‌الذكر و جلوگیری از آلودگی مجدد گیاهان سالمی كه از طریق كشت بافت مریستم گیاهان مبتلا به بیماریهای ویروسی بدست آمده‌اند، مبادرت به ایجاد بانك ژن یا بانك گیاهی مینمایند و بوسیله محیطهای كشت بافتهای گیاهی میتوان یك مقدار از گیاه سالم را در شرایط استریل طی چندین سال نگهداری نمود.
نگهداری درون شیشه ای ذخایر ژنتیكی ارزش زیادی در ارائه راه حل و نیز به عنوان روشی جایگزین برای غلبه بر موانع و مشكلات مدیریت ذخایر ژنتیكی است. در گیاهانی كه به طور رویشی تكثیر میشوند و نیز در گیاهانی كه بذور ریكلسیترنت تولید میكنند و در گیاهان دایمی (چندساله) كه هتروزیگوسیتی زیادی دارند، نگهداری بذر به عنوان ذخایر ژنتیكی مناسب نمی‌باشد. در چنین محصولاتی به طورخاص ذخیره درون شیشه‌ای اهمیت كاربردی فوق العاده‌ای دارد. موفقیت این روشها در مورد چندین محصول باغی اثبات شده است و در حال حاضر مراكز مختلف كلكسیون درون شیشه‌ای ذخایر ژرم پلاسم موجود میباشد. نگهداری درون شیشه‌ای ذخایر ژنتیكی كار مبادله مواد گیاهی عاری از آفات و بیماریها را ساده‌تر كرده و به داشتن قرنطینه بهتر كمك میكند. كاربرد كشت‌بافت در حفظ منابع ژنتیكی شامل ذخیره كردن ژرم پلاسم به صورت كشت‌های با رشد بطئی یا به صورت بافت ذخیره منجمد است كه با استفاده از روشهای كشت‌بافت می‌توانند باززایی شوند. سایر كاربردها شامل حذف ویروسها از ژرم‌پلاسم‌های با ارزش، تبادل بین المللی ژروم‌پلاسم به صورت نمونه‌های كشت‌بافت ضدعفونی شده، و تكثیر سریع ژرم‌پلاسم برای برنامه‌های اصلاحی میباشد.
انتخاب گیاهان جهش‌یافته (جهش های خود به خودی یا القایی) و تنوع سوماكلونی:
بهنژادگران گیاهی به طور مداوم به دنبال منابع تنوع ژنتیكی جدیدی هستند كه پتانسیل مفیدی برای اصلاح و بهنژادی گیاهان را داشته باشند. بخشی از گیاهان كه از طریق كشت بافت باززایی میشوند اغلب تغییرات فنوتیپی متفاوتی با فنوتیپ گیاه اصلی نشان می دهند. چنین تنوعی كه به اصطلاح تنوع سوماكلونی گفته میشود ممكن است وراثت‌پذیر باشد یعنی به طور ژنتیكی ثبات داشته و به نسل بعدی منتقل شود. متقابلا تنوع ممكن است اپیژنتیكی باشد و در تولید مثل جنسی ناپدید شود و به نسل بعد منتقل نشود. تنوع وراثت‌پذیر به طور بالقوه برای اصلاح گران مفید میباشد. مطالعات ثابت كرده‌است كه در كشت‌بافت گیاهی، به خصوص كشت سلول و كشت بافت پینه‌ای، به دلایل ناشناخته ای جهش های نقطه ای، حذف و جابجایی های قطعات كروموزومی صورت می گیرد كه خود باعث تنوع ژنتیكی قابل توجهی بین گیاهان حاصل و گیاه مادر میشود كه میتواند در جمله اصلاح نباتات نقش مهمی را ایفا نماید و راه را برای انتخاب ژنوم هایی با مشخصات جدید هموار می سازد. با وجود اینکه تنوع سوماكلونی، منبع تازه‌ای از تنوع را برای اصلاح گیاه فراهم میكند، ولی در اكثر كاربردهای كشت‌بافت گیاهی، حفظ همسانه یك ملاحظه عمده است.
از جمله كاربردهای موفقیت آمیز این روش در برخی گیاهان زراعی و باغی كه منجر به افزایش محصول در دنیا شده است، عبارتند از : لاینهای متحمل به شوری، غوطه‌وری و مقاومت به سوختگی غلاف در برنج، مقاومت به ویروس لكه چشمی و افزایش قند در نیشكر، مقاومت به زنگ، سفیدك داخلی و بلایت در سیب زمینی و كاهش قهوه‌ای شدن آن بعد از پوست كندن، مقاومت به پژمردگی فوزاریمی و درصد گوشت بالا در گوجه فرنگی و تولید گوجه فرنگی هایی با رنگ ، طعم و بافت عالی، مقاومت به پژمردگی فوزاریمی در موز كاوندیش، عملكرد بالاتر در گندم، ایجاد رقم بدون خار تمشك، تحمل به شوری و گرما در كتان، مقاومت به پژمردگی فوزاریمی در كرفس، مقاومت به ویروس موزائیك در توتون، عملكرد بالا و مقاومت به ریزش در خردل هندی، تولید میوه‌های زرد و زودرسی در فلفل سبز میباشند.
تولید گیاهان هاپلویید/دابلد هاپلویید به منظور ایجاد لاینهای خالص:
در یك برنامه انتخاب اصلاح نباتاتی با استفاده از روش كشت هاپلوئیدها و بعد دو برابر كردن گیاهان کروموزومهای گیاه هاپلوئید، می توان زمان لازم برای رسیدن به یك لاین ایزوژن (یكسان ازنظر ژنتیكی) را حداقل از پنج تا شش نسل به یك یا دو نسل كاهش داد. بنابراین مهمترین مزیت این سیستم رسیدن به هموزیگوتی مطلق در حداقل زمان ممكن می باشد. هموزیگوت‌های به وجود آمده از كشت‌بافت به دنبال تفكیك میوزی میتواند تعدادی از خصوصیات ارزشمند مغلوب را كه در جوامع هتروزیگوت طبیعی تجمع یافته و ظاهر نمی‌شدند را آشكار سازد. در صفات كیفی احتمال دستیابی به یك ژنوتیپ خاص (تركیب خاصی از ژنها در شرایط هموزیگوت) با n جفت ژن در نسل F2 برابر باn (4/1) می باشد در حالیكه این احتمال در روش هاپلوییدی معادل نسبت گامتهای نر یا ماده یعنی n (2/1) می باشد. بعبارتی یك جمعیت كوچكتری از لاینهای دابلد هاپلویید جهت غربال كردن نوتركیبهای مطلوب مورد نیاز است. در صفات كمی اولا در سیستم دابلد هاپلویید واریانس ژنتیكی در لاینها تنها شامل واریانس افزایشی است كه ارزش واقعی اصلاحی آنها را آشكار می سازد و فنوتیپ گیاه با اثرات غالبیت پوشیده نمی شود، ثانیا بدلیل هموزیگوتی مطلق لاینها گیاهان داخل یك قطعه آزمایشی از نظر ژنتیك كاملا یكسان می باشند.
روشهای اصلی تولید گیاهان هاپلویید/دابلد هاپلویید شامل حذف كروموزومی، كشت تخمك و تخمدان، كشت بساك و كشت میكروسپور می باشد. در میان روشهای مختلف، روش كشت میكروسپور جدید ترین و كارآمدترین روش می باشد. كشت میكروسپورهای جدا شده مزایای متعددی نسبت به سایر روشهای تولید هاپلویید دارد. میكروسپورها كه سلولهای هاپلویید بالقوه جنین زا می باشند می توانند به تعداد زیاد ایزوله و كشت گردند. با توجه به اینكه كشت میكروسپور فقط دارای سلولهای منفرد هاپلویید می باشد امكان انتخاب تك سلول را فراهم می سازد. در روش كشت میكروسپور در مقایسه با كشت بساك شانس باززایی گیاهان دیپلویید بدلیل حذف شدن بافتهای دیپلویید مانند دیواره بساك و تیغه بساك محدود می شود. همچنین با حذف بساك، مواد ممانعت كننده رشد میكروسپورها (آبسیزیك اسید و مواد سمی دیگر) حاصل از ترشحات دیواره بساك، دیگر بعنوان مشكل مهمی نخواهد بود. مشاهده دقیق تمام مراحل آندروژنز در روش كشت میكروسپور امكان پذیر است. اغلب در نتیحه كشت میكروسپور، تبدیل مستقیم میكروسپور به جنین اتفاق می افتد. مطالعه تاثیر فاكتورهای مختلف بر روی میكروسپورها به لحاظ جدا بودن میكروسپورها و مشاهده راحت آنها به سهولت امكان پذیر است. امكان استفاده از روشهای انتقال ژن به طور مستقیم بر روی میكروسپورها وجود دارد.
باروری و كشت جنین یا تخمك در "درون شیشه":
در مواردی كه بهنژادگران گیاهی تلاقی‌هایی انجام میدهند كه جنین قادر به ادامه رشد به حالت معمولی نیست و سقط میشود، كشت بافت می تواند این جنین‌ها را نجات داده و از آنها گیاه تهیه شود. همچنین كشت جنینهای جداشده در مراحل مناسب نمو میتواند مشكلات موجود در ناسازگاریهای بعد از تشكیل تخم را مرتفع سازد. بکارگیری این روش در مورد گونه‌های باغی ریكلسیترنت و با عمر طولانی بسیار مهم و معنی داراست.
از كاربردهای نجات جنین میتوان غلبه بر عدم زنده‌مانی جنینهای حاصل از تلاقی‌های ناموفق در اصلاح نباتات در زیوه (in vivo) نام برد. نجات جنین در باز یافت جنینهای دورگ بین گونه‌ای در پنبه، جو، گوجه فرنگی، برنج و غیره موفقیت آمیز بوده‌است. همجنین جوانه‌زنی پارازیت‌های اجباری بدون میزبان در زیوه غیر ممكن است ولی با كشت جنین قابل دستیابی میباشد. كشت جنین به طور موفقیت آمیزی برای غلبه بر خواب ناشی از اثر باز دارنده‌های جوانه‌زنی بذر در بذرهای زنبق و برای جوانه‌زنی موفق بذرهای نابالغ اركیده مورد استفاده قرار گرفته‌است. خواب بذر ممكن است توسط پوشش بذر و یا اندوسپرم تحمیل شده‌باشد. با حذف این دو، بذرها بلافاصله جوانه می‌زنند. جوانه‌زنی كند بذر ناشی از محدودیت ایجاد شده توسط پوشش بذر برای جذب اكسیژن و آب نیز می تواند با كشت جنین حذف شود. غلبه بر خواب بذر به نوبه خود میتواند در كوتاه‌تر كردن چرخة اصلاح موثر باشد. جلو گیری از سقط جنین با پیش‌رس كردن میوه‌های هسته‌دار یكی دیگر از كاربردهای كشت جنین میباشد. در تلاقی های میوه‌های هسته‌دار پیش‌رس شده (مثل هلو، گیلاس، زردالو و گوجه) انتقال آب و مواد غذایی به جنین نابالغ گاهی بسیار سریع قطع شده و منجر به سقط جنین میگردد. بنابراین نجات جنین تنها راه غلبه بر این مشكل است. جنین‌ها در گیاهان خانواده پوآسه و نیز در سوزنی برگها به عنوان مواد اولیه برای تكثیر رویشی مورد استفاده قرار میگیرند، بنابراین كشت "درون شیشه‌ای" جنین در این گیاهان از اهمیت برخوردار است.
دو رگ‌گیری سوماتیكی با استفاده از فن‌آوری كشت پروتوپلاست:
از دو رگ گیری سوماتیکی و امتزاج پروتوپلاست می توان جهت دستكاری گونه های گیاهی، افزایش تنوع، ایجاد صفات یا گیاهان جدید و تولید سیبریدها (دورگ های سیتوپلاسمی) استفاده نمود. بطور کلیكاربردهای دورگ‌گیری سوماتیكی و كشت های پروتو پلاستی را می توان به سه دسته تقسیم كرد:
الف) می توان دو یا تعداد بیشتری پروتوپلاست را به امتزاج تحریك نمود و محصول امتزاج یافته را به دقت پرورش داد تا گیاه دورگ تولید شود. اگرچه این پدیده به دفعات مشاهده شده‌است، اما امتزاج پروتوپلاست‌های جدا شدة بعضی از گونه‌ها به دست نیامده است. در برخی موارد دورگ‌هایی كه به دلیل ناسازگاری جنسی یا فیزیكی با روشهای معمول در ژنتیك گیاهی نمی‌توانند تولید شوند، با امتزاج سلولهای سوماتیكی می‌توانند ایجاد شوند. كشت و آمیزش موفق پروتوپلاست‌ها در انتقال نر عقیمی سیتوپلاسمی برای بدست آوردن هیبریدهای با بنیه بیشتر از طریق بازتركیبی میتوكندریایی و نیز در انتقال ژن در گیاهان بسیار مفید بوده است.
ب) بعد از حذف دیواره سلول، پروتوپلاست جدا شده قادر است مواد خارجی را با فرآیندی شبیه به آندوسیتوسیز (مثل آنچه در آمیب است) به داخل سیتوپلاسم خود بكشد. به صورت آزمایشی پیشرفت‌هایی در وارد نمودن هستك‌ها، كلروپلاست‌ها، میتوكندری‌ها، DNA، پلاسمید‌ها، باكتریها، ویروسها و غیره به وجود آمده‌است.
ج) پروتوپلاست كشت شده به سرعت دیواره سلولی جدیدی را بازسازی میكند. این فرایند نموی، سیستم جدیدی برای مطالعه بیوسنتز دیواره سلول و تشكیل آن پیشنهاد مینماید.
القای گلدهی"درون شیشه‌ای":
سیستم درون شیشه‌ای كه قادر به تولید نسبتأ سریع گلهای بارور باشد اهمیت كاربردی قابل ملاحظه‌ای در اصلاح گونه‌های گیاهی دارد كه گدهی آنها دشوار است یا فقط هر چند سال یك‌بار گل میدهند. به عنوان مثال خیزران (Bambusa arundinacea) در سر تاسر عمر خود فقط یك‌بار گل میدهد و در انتهای فصل میوه دهی از بین میرود. این گلدهی تك بر (monocarpic flowering) بعد از 12 تا 24 سال رشد اتفاق می‌افتد و به صورت گروهی یعنی، تمام خیزران‌های یك جمعیت محلی به طور همزمان به گل می‌روند. با توجه به غیر پیش بینی بودن رفتار گلدهی و بذر دهی، مسلم است كه اصلاح خیزران خیلی مشكل میباشد. این مسئله برای خیزران در سال 1990 توسط ناگوادا و همكاران حل شد و آنها توانستند در شرایط درون شیشه ظرف چند ماه گلها و بذرهای طبیعی تولید نمایند. مثال دیگر تولید مستمر گلهای بارور و بذر زنده برای اركیده میباشد. اركیده‌ها به طور متوسط به سه تا شش سال زمان برای بالغ شدن نیاز دارند. با روش گلدهی درون شیشه‌ای، گلها و بذرهای زنده ظرف شش ماه پس از كشت می‌توانند تولید شوند.
- ایجاد گیاهان تراریخته: كشت سلول و بافتهای گیاهی به صورت پیش نیاز و لازمه برنامه‌های انتقال مصنوعی ژن و مهندسی ژنتیك میباشد و بدون آن ایجاد گیاهان تراریخته امكانپذیر نیست. مهندسی ژنتیك پیچیده‌ترین شاخه زیست فن‌آوری است كه شامل روشهای انتخاب ژن مورد نظر، مكان‌یابی، جداسازی، خالص سازی، تكثیر و انتقال ژنها و ارزیابی بروز آنها در موجود زنده میباشد. این فن‌آوری امكاناتی را فراهم می‌آورد كه با روشهای سنتی كلاسیك امكانپذیر نیست. از جمله گیاهان زراعی دستورزی شده میتوان مثال‌های زیر را عنوان كرد. ذرت، برنج، پنبه، سیب زمینی و گوجه فرنگی (برای كنترل آفات پروانه‌ای و سوسك‌ها)، گندم و برنج (برای كنترل بیماریهای قارچی به ویژه شیت بلایت برنج و فوزاریم گندم) سویا، پنبه، ذرت، كلزا، چغندر قند، برنج و كتان (برای ایجاد مقاومت به علف كش عمومی و در نتیجه ایجاد امكان مبارزه ارزان‌تر و موثر تر با علف‌های هرز توسط این قبیل علف كش‌ها)، برنج (برای افزایش ارزش غذایی آن با تولید ویتامین A یا پروتئین شیر انسانی به ویژه جهت تولید غذای كودك)، برنج (برای تأخیر در پیری و افزایش دوره رشد و افزایش عملكرد)، گوجه فرنگی (برای افزایش طول دوره انبارداری و تأخیر در رسیدگی و لهیدگی)، كدو، خربزه درختی و سیب زمینی (برای افزایش مقاومت به بیماریهای ویروسی)، گوجه فرنگی، سویا و كلزا (برای تغییر كیفیت روغن).
- تولید متابولیتهای ثانویه:
گیاهان در طول زندگی خود مواد شیمیایی و پیچیده‌ای تولید میكنند كه در رشد و نمو و فعالیتهای حیاتی گیاه نقشی ندارند. این مواد "متابولیتهای ثانویه" نامیده می شوند. مواد معطر، مواد مؤثر دارویی، فرمونها (Pheromone)، حشره كش‌ها، علف كش‌ها، قارچ كش‌ها، هورمونهای گیاهی و مواد آللوپاتیك (Allelopathic) از این جمله هستند. تولید انبوه و سریع این مواد پیچیده در مقیاس بالا با استفاده از روشهای شیمیایی مشكل و یا غیر ممكن میباشد. زیست فن‌آوری و از جمله كشت بافت گیاهی راه حلی مناسب و ارزان برای تولید آسان و انبوه متابولیتهای ثانویه میباشد. در بیوسنتز مواد گیاهی در شرایط "درون شیشه" اساسأ گیاهانی گزینش میشوند كه تولید متابولیتهای مطلوب در آنها بالا باشد، متعاقب انتخاب گیاه، اندام‌هایی از گیاه انتخاب میشوند كه دارای بالاترین غلظت مواد باشند. دو روش اصلی برای تولید متابولیتهای ثانویه وجود دارد: الف) رشد سریع كشت‌های سوسپانسیونی در حجم بالا و سپس تولید متابولیتهای ثانویه از آنها. ب) رشد و تكثیر سلولها، برای تولید تركیبات، طی یك دوره طولانی.
ب. بیوتكنولوژی و متابولیت های ثانویه
- بیوتکنولوژی گیاهان دارویی
برای بیشتر گیاهان دارویی تحقیقات اولیه اغلب در زمینه فیتوشیمی و كشاورزی بوده است. در بحث فیتوشیمی، گیاهان دارویی با توجه به تركیبات فعال از نظر زیستی دستهبندی میشوند كه بر اساس آنالیزهای ساختاری این تركیبات استوار است. پژوهشهای كشاورزی روی گیاهان دارویی نیز روی توسعه ظرفیت برای رشد بهینه گیاه در هنگام كشت انجام میشود. این پژوهشها بیشتر در مواقعی صورت میگیرد كه گیاه داروئی بومی برداشت میشود و شرایط برای رشد در هنگام كشت بهینه نشده است و از طرفی برداشت بیرویه گیاهان دارویی در رویشگاه های طبیعی امری نادرست بوده و موجبات كاهش تنوع زیستی و كاهش تنوع در كیفیت گیاهان داروئی شده و پیامدهای فجیعی را به دنبال دارد. مطالعه در زمینه فیزیولوژی گیاهی و پژوهشهای پایهای روی شناخت گیاهان داروئی بسیار ضروری است.
- متابولیتهای ثانویة گیاهی
متابولیتهای ثانویة گیاهی ترکیباتی هستند که توسط سلولهای گیاه تولید میشوند. گیاهان و قارچ ها حاوی مسیر های متابولیكی متنوعی هستند كه از مسیر های تولید متابولیتهای اولیه منشعب شده و منجر به تولید تركیباتی میشوند كه موجود زنده نیازی به آنها از نظر ادامه حیات ندارد. مجموعه این راه های متابولیكی حاشیهای را متاوبولیسم ثانویه می‌نامند. فراوردههایی را كه از راه های متابولیكی حاشیهای تولید میشوند، متابولیت ثانویه می‌نامند. تعدادی از متابولیتهای ثانویه وظیفه حیاتی مهمی در گیاهان ایفا مینمایند. بنابراین، این تعریف از فرآورده های راه های متابولیكی ثانویه كه فاقد وظیفه مشخص حیاتی هستند، در رابطه با همه گیاهان صادق نیست. گرچه محصولات ثانویه گیاهی در گذشته به صورت تركیبات شیمیایی تعریف میشدند كه دارای نقش بیوشیمیایی حیاتی در ساختار و حفظ سلول گیاهی نیستند، تحقیقات اخیر نشان داده كه این تركیبات دارای نقشهای حیاتی در اكوفیزیولوژی گیاهان هستند.
علیرغم پیشرفت های حاصل در علم شیمی آلی، گیاهان هنوز هم به عنوان منابع تجاری مهم برای تهیه و تامین تركیبات شیمیایی و طبیعی مورد استفاده قرار میگیرند. متابولیتهای ثانویه گیاهان دارای كاربرد های مهمی در صنایع مختلف میباشند.
متابولیت های ثانویه گستره وسیعی از ترکیبات اقتصادی نظیر استروئیدها، آلکالوئید ها، فلاونوئید ها، ساپونین ها، اسا نس ها ، رزین ها و...را در بر می گیرند. این متابولیتها کاربردهای مختلفی در صنایع گوناگون و به‌ویژه پزشکی دارند. اسانسها و مواد معطر، مواد مؤثره دارویی، فرمونها، حشره‌‌كش‌‌ها، علفكشها، قارچ‌‌كش‌‌ها، هورمونهای گیاهی و مواد آللوپاتیك (ایجاد كننده انواع مقاومت‌‌ها و یا بازدارنده رشد و نمو) از این جمله هستند. در این میان ترکیبات دارویی و اسانسها دارای اهمیت ویژه‌ای هستند.
توسعه استفاده از گیاهان داروئی در صنایع مختلف از جمله داروسازی سال ها وقت و میلیون ها دلار هزینه در بر دارد، ولی برنامه های کشف داروها و مواد با منشاء طبیعی هنوز در سراسر دنیا وجود دارندکه اصولا به دلایل زیر می باشند:
1. تنوع بالای ترکیبات شیمیائی حاصل از محصولات طبیعی هنوز در مقایسه با ترکیبات مصنوعی بالا بوده و پتانسیل این محصولات طبیعی در بسیاری موارد ناشناخته هستند.
2. تعداد زیادی از گونه های گیاهی و گونه های جلبکی هستند که هنوز بررسی نشده اند.
3. تکنولوژی و پیشرفت های مدرن در این زمینه در سال های اخیر دارای برنامه های جالبی بوده اند.
4. سیستم ها و دستگاه های جدید برای بررسی ساختار ترکیبات، زمان مورد نیاز برای مرحله اول بررسی این ترکیبات را کاهش داده اند.
گیاهان دارویی، یکی از منابع مهم تولید دارو هستند که بشر سالیان دراز، از آنها استفاده نموده است و در حال حاضر نیز نه‌تنها ارزش خود را در زمینة تولید دارو از دست نداده‌اند بلکه اهمیت آنها نیز فزونی یافته است. گیاهان دارویی به دلیل توأم بودن ماهیت طبیعی و وجود تركیبات همولوگ دارویی در آنها، با بدن سازگاری بهتری دارند و معمولاً فاقد عوارض ناخواسته داروهای شیمیایی هستند، به‌خصوص در موارد مصرف طولانی و در بیماریهای مزمن، بسیار مناسب‌تر میباشند.
- کشت سوسپانسیون سلولی
بطور عمده كشت بافت گیاهی در مطالعه روند تكوینی، تغییرات فیزیولوژیكی و تهیه تركیبات بیوشیمیایی از سلول های گیاهی به كار میرود، میتوان از این روش در جهت دستیابی به اهداف اقتصادی بهره گرفت بطوری كه با ریزازدیادی و تولید تركیبات آلكالوئیدی و یا فلاونوئیدی به وسیله سلولهای منفرد و نوع خاصی از كشت، حجم وسیعی از نیازهای انسانی را برطرف كرد.
- باززایی در شرایط آزمایشگاهی ( In-Vitro Regeneration )
تکثیر گیاهان در شرایط آزمایشگاهی، روشی بسیار مفید جهت تولید داروهای گیاهی باکیفیت است. روشهای مختلفی برای تکثیر در آزمایشگاه وجود دارد که از جملة آنها، ریزازدیادی است. ریزازدیادی فواید زیادی نسبت به روشهای سنتی تکثیر دارد. با ریزازدیادی میتوان نرخ تکثیر را بالا برد و مواد گیاهی عاری از پاتوژن تولید کرد. گزارش‌های زیادی در ارتباط با بکارگیری تکنیک " کشت بافت " جهت تکثیر گیاهان دارویی وجود دارد.
- تولید متابولیتهای ثانویه از گیاهان دارویی در شرایط آزمایشگاهی
با استفاد از کشت بافت میتوان متابولیتهای ثانویه را در شرایط آزمایشگاهی تولید نمود. لازم به‌ذکر است که متابولیتهای ثانویه، دسته‌ای از مواد شامل اسیدهای پیچیده، لاکتون‌ها، فلاونوئیدها و آنتوسیانین‌ها هستند که به‌صورت عصاره یا پودرهای گیاهی در درمان بسیاری از بیماریهای شایع به‌کار برده میشوند.
- استفاده از بیورآکتورها در تولید صنعتی متابولیتهای ثانویه
تولید متابولیت ثانویة گیاهی با خصوصیات دارویی در شرایط آزمایشگاهی، فواید زیادی در مقایسه با استخراج این ترکیبات از گیاهان، تحت شرایط طبیعی دارد. کنترل دقیق پارامترهای مختلف، سبب میشود که کیفیت مواد حاصل در طول زمان تغییر نکند. درحالی که در شرایط طبیعی مرتباٌ تحت تأثیر شرایط آب و هوایی و آفات است. تحقیقات زیادی در زمینة استفاده از کشت‌های سوسپانسیون و سلول گیاهی برای تولید متابولیتهای ثانویه صورت گرفته است. از جمله ابزارهایی که برای کشت وسیع سلولهای گیاهی به‌کار رفته‌اند، بیورآکتورها هستند. بیورآکتورها، مهمترین ابزار در تولید تجاری متابولیتهای ثانویه از طریق روشهای بیوتکنولوژیک، محسوب میشوند.
- شناسایی دقیق گیاهان دارویی
از نشانگرهای DNA میتوان برای شناسایی دقیق گونه‌های گیاهان دارویی مهم، استفاده کرد. اهمیت استفاده از این نشانگرها، به‌ویژه در مورد گونه‌ها و یا واریته‌هایی که از لحاظ مرفولوژیکی و فیتوشیمیایی به هم شبیهند، دوچندان میشود.
- اصلاح گیاهان دارویی
اگرچه کاشت گیاهان دارویی به هزاران سال پیش باز میگردد ولی باید گفت که در مورد اصلاح آنها تاکنون پیشرفت قابل ملاحظه‌ای صورت نگرفته است و در حال حاضر، تعداد کالتیوارهای مفید به‌دست آمده بر اثر اصلاح گیاهان دارویی اندک است. هدف از اصلاح گیاهان دارویی، افزایش کمیت و کیفیت آن دسته از مواد مؤثره در این گیاهان است که در صنایع دارویی از اهمیت خاصی برخوردار هستند. در سالهای اخیر توجه خاصی از جانب سازمان‌های مختلف در کشورهای جهان در ارتباط با اصلاح این گیاهان صورت گرفته است. در این رابطه، استفاده از نتایج حاصل از انگشت‌نگاری ( fingerprinting ) مولکولی گیاهان دارویی، میتواند محققین را در پیشبرد اهداف اصلاحی این گیاهان یاری نماید
ج. ژنومیكس و كاربرد آن در كشاورزی
پیدایش تكنیك PCR در اوایل دهه 80 میلادی و تكامل تدریجی آن به كمك ابداع ابزارها و وسایل نوین پیشرفته باعث گردید كه مفاهیم ژنومیكس، بیوانفورماتیك و پروتئومیكس در اواسط دهه 90 به عرصه بیولوژی مولكولی وارد شوند و بابهای جدیدی از كاربردهای بیوتكنولوژی نوین گشوده شود. مجموعه این دستاوردها موجب شد كه پایان قرن بیستم با اتمام پروژههای بررسی ژنوم چندین موجود و از جمله انسان، آرابیدوپسیس و برنج مصادف شود. وجود پروژه های تعیین توالی ژنوم تعدادی از موجودات زنده , اطلاعات بسیار زیادی را فراهم نموده اند که باعث ایجاد بخش جدیدی از مطالعات بیولوژی تحت عنوان Structural Genomics شده است. امروزه استفاده از تكنیك ها و فن آوری های جدید مانند cDNA, Real Time PCR و Oligonucleotide Microarray باعث دسترسی به اطلاعاتی در مورد چگونگی عملکرد ژن ها تحت عنوان Functional Genomics شده است. با توجه به وجود اطلاعات بسیار زیاد مربوط به ساختار و عملکرد ژن ها دربانک های اطلاعاتی, در حال حاضر این امکان میسر می باشد که نشانگرهای ساختاری و عملکردی ژنوم یك موجود زنده بر مبنای نشانگرهای ساختاری و عملکردی ژنوم سایر موجودات زنده شناسایی شوند. در سالهای اخیر تكنولوژی نشانگرهای DNA در گیاهان عالی به سمت آنچه از آن تحت عنوان نشانگرهای ملكولی مبتنی بر ترانسكریپتوم و دیگر توالیهای كد كننده نامیده می شود روكرده است. در این میان نشانگرهای عملكردی ژنوم (Genomic Functional markers) كه بر مبنای ظهور یك صفت در گیاه انتخاب می شوند در مطالعه تخمین تنوع ژنتیك، انتخاب به كمك نشانگر، بررسی ژنهای كاندیدای و همسانه سازی بر مبنای نقشه یابی، تعیین QTL ها و مطالعه فیلوژنتیكی و تاكسونومیكی مورد استفاده قرارمی گیرند. امروزه با تكمیل پروژه های ردیف یابی ژنوم در تعدادی از گیاهان, ESTs های (Expressed sequence tag sites) فراوانی برای مطالعه سایر گیاهان فراهم شده است. چنانچه یک EST با یک ژن مشخص همانندی قابل قبولی داشته باشد عملکرد بالقوه مشابهی برای آن EST در نظر گرفته میشود. پیوستگی نشانگرهای مبتنی بر EST ها با مقاومت/تحمل به تنشهای زیستی و غیر زیستی, موجب افزایش آگاهی مسیرهای بیوشیمیایی ژن های کنترل کننده مقاومت/تحمل و متراکم نمودن فاصله نشانگرهای احاطه‌کننده QTL های شناخته شده می شود. تولید نشانگرهای مبتنی بر عملکرد ژن اطلاعات دیگر نشانگرهای دی.ان.ا. مانند AFLP و SSRکه عمدتاً در نواحی غیر کد کننده قرار دارند را تکمیل نموده و نواحی کد کننده را نیز در نقشه‌های ژنتیک آشکار می‌کند. تكنولوژی ریز آرایه (Micoarray) امكان بررسی هم زمان هزاران EST را فراهم می سازد. بنابراین با گسترش اطلاعات EST ها در بانک های اطلاعات و استفاده همزمان از تکنولوژی ریزآرایه و تجزیه QTL امکان شناسایی و جداسازی ژن های کاندیدای مقاومت/تحمل به تنشهای زیستی و غیر زیستی میسر می شود. در حال حاضر نشانگرهای مولكولی ساختاری و عملکردی یك وسیله و ابزار مفید و دقیق میباشند كه روشهای مبتنی بر استفاده از آنها به عنوان مكمل روشهای سنتی و كلاسیك در سرعت بخشیدن به برنامه های بهنژادی، افزایش دقت و صرفه جویی در نیروی كار و هزینه ها نقش چشمگیری دارند.
گزینش به کمک نشانگرهای مولکولی
امروزه ردیابی صفات مطلوب و گزینش به کمک نشانگرهای مولکولی یا MAS (Markers Assisted Selection) از طریق تعیین پیوستگی (لینكاژ) آنها با صفات مهم زراعی (كمی و كیفی) امكانپذیر شده است. این موضوع، امكان گزینش سریع و دقیق ژنوتیپهای مطلوب را در مراحل اولیه رشد فراهم كرده و طول دوره بهنژادی را كوتاه مینماید. این مقوله به خصوص طی سالهای اخیر به شدت مورد توجه قرار گرفته است و موفقیتهای زیادی از قبیل تشخیص گیاهان مقاوم به یك آفت یا بیماری كه در برنامه های بهنژادی و اجرای مقررات قرنطینه نباتی اهمیت دارند، بدست آمده است. این جنبه كاربردی در گیاهان چندساله و به خصوص درختان كه اغلب طول دوره جوانی در آنها زیاد میباشد، اهمیت بیشتری دارد و باعث افزایش دقت و صرفه جویی در زمان، نیروی كار، هزینه ها و امكانات مزرعه ای میشود. شناسه های مولكولی (Molecular tags) برای بسیاری از صفات در گیاهان زراعی توسط انواع مختلف نشانگرهای مولكولی تهیه شده است. مثالهایی از پیوستگی نشانگرهای مولكولی بیوشیمیایی و دی-ان-آ برای برخی از صفات مهم در گیاهان مختلف از قبیل گوجه فرنگی، گندم، ذرت، جو، سویا، نخودفرنگی و برنج كه در انتخاب به كمك نشانگرها (MAS) قابل استفاده هستند وجود دارند. انتخاب به كمك نشانگرها به خصوص برای شناسایی صفات كمی و مقاومت گیاهان به آفات و بیماریها سودمند میباشد. اگرچه روشهای مرسوم (سنتی) برای ارزیابی مقاومت به آفات و بیماریها توانسته اند نتایج بسیار خوبی ارائه دهند ولی اغلب به هزینه و زمان زیاد نیاز دارند.
مكان یابی / نشانمند كردن ژن های كنترل كننده در صفات پلی ژنیك
پس از ابداع نشانگرهای ملكولی و كاربرد آنها در اصلاح صفات كمی، اصطلاح جدیدی بنام QTL یعنی مكانهای ژنی كنترل كننده صفات كمی جایگزین اصطلاح پلی‌ژن گردید. QTL ها به نواحی كروموزومی كنترل كننده صفات كمی اطلاق میشود كه ممكن است شامل یك ژن یا گروهی از ژنها با پیوستگی ضعیف یا پیوستگی شدید باشند. برخلاف نظریه پلی‌ژنتیك, QTL ها می‌توانند كوچك یا بزرگ اثر بوده و امكان برآورد سهم اثر QTL تنها در تغییرات فنوتیپی كل صفت وجود دارد. مكان‌یابی ژنها با استفاده از نشانگرهای مولكولی بر پایه فرض وجود عدم تعادل پیوستگی بین آللهای مكانهای ژنی نشانگر و آللهای QTLهای پیوسته به این نشانگرها استوار است. عدم تعادل پیوستگی را میتوان بصورت پیوستگی غیرتصادفی آللهای مكانهای ژنی مختلف در یك جمعیت تعریف كرد كه علاوه بر پیوستگی فیزیكی بین مكانهای ژنی ممكن است توسط عوامل مختلفی مانند جهش، گزینش و رانده‌شدگی ژنتیكی نیز بوجود آید. در جمعیت های مصنوعی تقریبا تمام عدم تعادل از پیوستگی ژن ها میباشد. بنابراین كارایی این جمعیت ها در برنامه های مكان یابی ژن ها بیشتر از جمعیتهای طبیعی است. در مكان‌یابی ژن های كنترل كننده صفات كمی با استفاده از نشانگرهای مولکولی نیاز به 1) جمعیت های در حال تفکیک, 2) نقشه‌های ژنتیکی (پیوستگی) و 3) روشهای آماری تجزیه QTL جهت تعیین رابطه داده‌های ژنوتیپی و فنوتیپی می باشد.
مكان یابی/ نشانمند كردن ژنهای كنترل كننده صفات یك یا دو ژنی
با توجه به اینكه در مورد صفاتی با كنترل تك یا دو ژنی فنوتیپ به مقدار زیاد نشان دهنده ژنوتیپ است، از روش BSA جهت شناسایی نشانگرهای ملكولی پیوسته با ژنهای مقاومت استفاده می شود. گام اول در BSA, ارزیابی فنوتیپی جمعیت در حال تفرق (بعنوان مثال F2) و انتخاب حدود 15-10 فرد از دو انتهای توزیع فنوتیپی صفت برای ارزیابی های ژنوتیپی است. بدین ترتیب كه دی. ان. ا. بالك از هر گروه (گروه مقاوم و حساس) تهیه و برای بررسی با استفاده از نشانگر مورد استفاده قرار می گیرند. در صورتیكه الگوی تفرق نشانگری در دو توده با الگوی تفرق بیماری یكسان باشد، آن نشانگر دارای پیوستگی با ژن كنترل کننده بیماری می باشد. در BSA آزمون نسبت ها بر اساس آزمون X2 انجام می گیرد. استفاده از لاین های ایزوژن حاصل از تلاقی والدین مقاوم و حساس نیز برای مكان یابی ژن كنترل كننده بیماریهای تك ژنی استفاده می شود.
د. فیزیولوژی گیاهی در كشاورزی
مطالعه اعمال و وظایف موجود زنده, اندامها, بافت ها, اندامكها, سلولها و ملكولها در درون موجودات زنده را فیزیولوژی میگویند. فرآیندهای فیزیولوژیك پویا بوده و سلولهای موجود زنده در پاسخ به محیطی كه در آن قرار دارند, از خود واكنش نشان داده و تغییر رفتار می دهند. هدف بسیاری از این واكنشها حفاظت و ایجاد ثبات محیطهای شیمیایی و فیزیكی درونی موجود زنده می باشد.
مطالعه وظیفه, كار و ماموریت هر عنصر حیاتی, متاثر از ساختار و آناتومی آن عنصر است و این دو به طرز تفكیك ناپذیری متاثر از هم می باشند. بعد از كشف ساختار سلولی بافتها, دانش فیزیولوژی توسعه سریعی یافت و نقش حیاتی سلولها, بافتها و اندامها مشخص شد.
فیزیولوژی گیاهی شاخه ای از علوم گیاهی است كه هدف كلی آن درك چگونگی حیات و نحوه عمل گیاهان است. هدف كلی این علم, کشف قوانینی است که بر تغذیه و رشد و نمو گیاه نظارت دارد، شناخت توانایی واقعی سلولها در انجام فعالیتهای بیولوژیک و همچنین اعمال روشهایی که ظهور یکی از تواناییهای سلولی را امکان‌پذیر می‌سازد. فیزیولوژی گیاهی علاقمند به دانستن و روشن سازی تمام مبانی حیاتی گیاه است. با توجه به مشخصات كلی گیاه, جنبه های حیاتی آن به سه دسته كلی تقسیم می شوند كه عبارتند از:
1. فیزیولوژی تغذیه و سوخت و ساز كه به جذب, تبدیل و پخش مواد, بین و درون سلولهای گیاه مرتبط است.
2. فیزیولوژی رشد, نمو و تولید مثل .
3. فیزیولوژی محیطی(Environmental physiology) كه در جستجوی دانستن چگونگی واكنش چند گانه گیاه به محیط اطراف خود است. قسمتی از علم فیزیولوژی محیطی كه با اثرات و سازگاری گیاه به شرایط نامساعد مرتبط است, فیزیولوژی تنش ها (Stress physiology)است.
تحقیقات فیزیولوژی گیاهی در سطوح مختلف حیاتی گیاه و به روشهای مختلف انجام می گردد. سطوح اصلی عبارتند از: سطح مولكولی, سلولی, موجود زنده (گیاه كامل) و جامعه گیاهی.
هدف تحقیقات در سطوح ملكولی دانستن فرآیندهای متابولیكی و تنظیمات آنها, و مكان یابی ملكولهای ویژه در ساختارهای خاص سلولی است. تحقیق در سطح سلولی اغلب با فرآیند های مشابه سطح ملكولی سرو كار دارد با این تفاوت كه به سلول به صورت یكپارچه توجه می شود . مطالعاتی كه در سطح موجود زنده (گیاه كامل) انجام می شود به عمل گیاه بطور یكپارچه توجه دارد. تحقیق در سطح جامه گیاهی, كه ارتباط تنگاتنگی با علم اكولوژی عملی (Experimental ecology) دارد, به بررسی پدیده هایی از فیزیولوژیكی گیاهی كه ممكن است با گونه غالب (مانند مزرعه ذرت) یا تعداد بیشماری گونه متفاوت (مانند جنگل) ارتباط داشته باشد, می پردازد.
مطالعه در سطح موجود زند, و با مقداری تعمیم در سطح جامعه, زمانی كه عوامل محیطی مانند نور, دما, آب و مواد غذایی زمانی قابل كنترل باشد, امكان پذیر خواهد بود. در این علم فرآینده ای اساسی مانند فتوسنتز, تنفس, تغذیه گیاهی, نقش هورمونهای گیاهی, سو گرایی (Tropism) , تحركات القایی (nastic movements), فتوپریودیسم, فتوموفوژنز, ریتمهای سیركادین, فیزیولوژی تنشهای محیطی, جوانه زنی بذر, خواب بذر, فعالیت سلولهای روزنه و تعرق ( هر دو قسمتهای از روابط آبی هستند) توسط فیزیولوژیستها مطالعه میشوند.
در سالهای اخیر با توجه به گسترده تر شدن حجم دانش, علم فیزیولوژی ملكولی خود به شاخه های جدیدی تقسیم شده است كه عمدتاً با پسوند آم(ome) و اٌمیكس(Omics) ختم می شوند. كلمات Ome و Omics از مشتقات پسوند] [–ome هستند كه با نام بسیاری از كلمات بیولوژیكی موجود پیوست شده تا نامهای جدیدی برای موضوعات تازه انتضاعی (ذهنی) یا مفاهیم عینی (محسوس) برای متون مختلف پدید آید. بعضی از اٌمیكس ها بخوبی پایه گذاری شده اند در حالیكه بسیاری دیگر در حال شكلگیری و پایه ریزی می باشند. مجامع علمی دنیا این كلمات را با توجه با اینكه چگونه در متون علمی از آنها استفاده شود, بسرعت پذیرفته و ترد مینمایند.
متابولومیكس (Metabolomics)
متابولومیكس یا آنالیز تمامی متابولیتهای سلولی, ابزاری جدید و قدرتمند برای ورود بیشتر به درون عرصه دانش بیولوژی مولكولی است. این شاخه از علوم بیولوژیك, به طور همزمان امكان نگرش سریع به تعداد زیادی از مولكولهای كوچك در درون سلول یا یك سیال زیستی را فراهم آورده, و تغییرات این مولكول ها را در شرایط مختلف نشان می دهد . بنابراین این دانش مكمل مهم و انكار ناپذیر مطالعات ژنومیكس و پروتئومیكس می باشد. نمایه متابولیكی یا Metabolic profiling نوعی از مطالعه است كه در زمینه سمیت و كارایی داروها در موجودات زنده مانند انسان و گیاه انجام می شود.
متابولوم (Metabolome) عبارت از مجموعه كامل متابولیتهای كوچك مولكول (مانند متابولیتهای حد واسط, هورمونها و سایر مولكولهای انتقال پیام, و متابولیتهای ثانویه) است كه در درون یك نمونه بیولوژیك یافت میشوند. متابولوم به مجموعه متابولیت های موجود در ارگانیزمهای بیولوژیكی اطلاق شده كه محصول نهایی تظاهر ژنها میباشند. اطلاعات حاصله از mRNA در زمان تظاهر ژن ها و تجزیه و تحلیل های پروتئومیكسی تمامی داستان آنچه كه در سلول اتفاق می افتد را بیان نمی كند, ولی نمایه متابولیكی, قادر است حجم زیادی از اطلاعات را به طور آنی از فیزیولوژی سلول ارائه دهد. یكی از چالشهای سیستم بیولوژی اختلاط اطلاعات پروتئومیكس, ترانس كریپتو میكس و متابولومیكس جهت ارائه شمای كلی از آنچه كه در سلول میگذرد, می باشد. این واژه متناسب با ترانس كریپتومیكس و پروتئومیكس ابداع شده است و همانند ترانسكریپتوم و پروتئوم, متابولوم دینامیك بوده و لحظه به لحظه تغییر می كند. هرچند كه متابولوم به سرعت قابل ردیابی و شناسایی است, اما در حال حاضر تجزیه و تحلیل و شناسایی تمامی متابولیتهای موجود در یك نمونه بیولوژیك با یك روش تجزیه متابولومیكسی غیر ممكن است و مطالعات سیستماتیك برای ردیابی (انگشت نگاری متابولیكی) یك متابولیت خاص در روند فعالیت بیولوژیكی سلول الزامی است. این امر زمانی جدیتر میشود كه مطالعه از نوع" نمایه متابولیكی یا Metabolic profiling " باشد.
واژه متابولومیكس در دهه 90 اختراع شد. در سال 2004 انجمنی به منظور توسعه این علم تشكیل شد. بسیار از روشهای تجزیه بیولوژیكی مورد استفاده در متابولومیكس, قبلاً از تكنیكهای بیوشیمیایی استخراج و برای مطالعات گیاهی و جانوری سازگار شدهاند.
- كابردهای كلیدی متابولومیكس
- سم شناسیToxicity) (http://en.wikipedia.org/wiki/Toxicity) assessment/Toxicology (http://en.wikipedia.org/wiki/Toxicology) (: ازنمایه متابولیكی می توان برای شناسایی تغییرات فیزیولوژیكی موجود زنده پس از قرار گرفتن در معرض سم, استفاده نمود.
- ژنومیكس كاربردی (Functional genomics) : متابولومیكس می تواند یك بهترین ابزار ها برای شناسایی فنوتیپهایی باشد كه دستورزی ژنتیكی شدهاند, باشد. گاهی این امر خود میتواند هدف اصلی یك تحقیق باشد. بطور مثال, شناسایی تغییرات فنوتیپی در گیاهانی كه برای مقاصد تغذیهای انسان یا دام دست ورزی ژنتیكی شده اند. جالبترین جنبه این مطالعات می تواند پیش بینی عمل و وظیفه ژنهای ناشناخته, بوسیله مقایسه اختلالات ایجاد شده در متابولیتها پس از حذف یا اضافه شدن یك ژن, باشد.
امروزه با توجه به گسترش سریع دانش متابولومیكس شاخه های جدیدی از علم این منشعب شده است كه برای مثال می توان به دو علمی Glycomins یا Glicobiology و Lipidomics اشاره كرد.
- گلایكو میكس یا گلایكو بیولوژی (or Glicobiology (Glycomins
گلایكومیكس بخشی از علم بیولوژی است كه ساختمان وعمل اٌلیگوساكارید ها (زنجیره قند ها) را بررسی می كند. واژه گلایكو میكس از پیشوند یونانی" گلایكو" به معنایی چیز شیرین یا شكر و اٌمیكس كه پسوند نشان دهنده شاخه ای از علو بیولوژیك است, ساخته شد است. این شاخه از مطالعات بیولوژیك, درگیر مجموعه ای از عوامل ذاتاً پیچیده است كه در هیچ شاخهایی از علوم بیولوژی دیده نمیشود. بطور مثال, ساختمان ژنها از 4 بلوك اصلی تشكیل شده و تعداد این بلوكها در پروتئین ها به20 عدد میرسد, در حالیكه ساكاریدها, تعداد كثیری بلوك ساختمانی مختلف هستند. سرعت پیشرفت در گلایكو میكس با بهبود دستگاه های شناسایی توالی و علم بیوافورماتیكس شتاب بیشتری یافته است. این شاخه از علم بیولوژی, كاربرد بسیاری در تولید دارو و درمان بیماریها دارد.
پس از پایه ریزی و قبول مفاهیم ژنومیكس و پروتئومیكس, شواهد نشان میدهد كه شاخه دیگری از علوم, از دانش متابولومیكس منشعب شده كه با تكیه بر اساس مفاهیم ملكولی, فنوتیپ سلولی را تشریح میكند؛ رشته ای از علم كه نشان میدهد, چگونه طیف گستردهای از پلی ساكاریدها با دامنه وسیعی از پروتئینها ارتباط داشته و نحوه تاثیر آنها بر فنوتیپ سلولها, اثر متقابل سلول بر سلول, و سلول بر اندام چگونه است. این دانش در سالهای انتهایی قرن 20 میلادی پا گرفته و ارتباط تنگاتنگی با ژنومیكس پروتئومیكس دارد. مطالعه گلایكانها از مطالعه سیستمهای پیچیده و عالی زنده و یا توده های سلولی, تفكیك ناپذیر است؛ زیرا تمامی موجودات زنده از سلولهای مختلفی خود كه توسط انواع مختلف و ناهمسانی از كربوهیدارتها احاطه شده اند, تشكیل شده اند. اگرچه تحقیق بر روی گلایكانها بخاطر ضعف فناوریهای موجود در مقایسه با آنچه كه در خصوص DNA و پروتئین وجود دارد, بی نهایت مشكل است, با این حال روشهای نوینی نیز دراین عرصه پا به میدان گذاشته كه نمونهای از آن بیو-چیپ كه خود یك اٌلیگوساكارید اری (oligosaccharide arrays) یا گلایكو-چیپ (glyco-chips) است, می باشد.
لیپیدومیكس (Lipidomics)
لیپیدومكیس مطالعه بزرگ-مقیاس متابولیتهای غیر محلول در آب (لیپیدها) است. به عبارت دیگر این علم, شاخهای از دانش متابولومیكس است كه لیپید ها را شناسایی, طبقه بندی و نمایه سازی مینماید. لیپیدومیكس نیازمند به نمایه سازی گروه كثیری از متابولیتها است. تاكنون بهترین روش اندازه گیری لیپیدها همان اسپكترومتری تودهای است. ارتباط بین یافتههای این دانش با یافتهها و دانستههای فیزولوژیك, نقش تعیین كنندهای در شناخت وظایف و عمل یك نوع یا گروه خاصی از لیپیدها, ویا پروتئینهای متابولیز كننده لیپیدها ایفا كرده و در شناسایی ژنهای مرتبطه كمك شایانی مینماید.
این شاخه از علم پس از پیشرفت فناوری در زمینه MS خصوصاً ESI/MS یا Electrospray ionization mass spectrometry توسعه سریعی یافته است. در لیپیدوم سلولی بیش از 1000 نوع مختلف لیپید (بوك ساختمانی) شناسایی شده كه عمدتاً دارای یك سر قطبی و یك دم آبگریز هستند. با این حال سلولها, لیپیدها را بطور دقیق, عالی و اختصاصی شناسایی كرده و از هم تمیز میدهند. وضعیت عملكردی لیپیدها توسط میزان تجمع موضعی شان در اندامكها, تجمع بین دولایه لیپیدی و حتی تجمع در سطح جانبی غشاء ها تعیین میگردد.
- هورمونهای گیاهی (Plant hormones)
v گروه دیگری از متابولیتها كه نقش اساسی و تعیین كننده در رشد و نمو موجودات زنده بازی می كند, هورمونها هستند. واژه هورمون ریشه یونانی داشته و به معنی به حركت درآمدن میباشد. هورمونها عبارتند از پیك های شیمیایی یك سلول (یا گروهی از سلولها) به سلول(های) دیگر. تمامی موجودات پر سلولی هورمون تولید میكنند. هورمونهای گیاهی (یا تنظیم كننده های رشد گیاهی) مواد شیمیایی مترشح درون گیاهی هستند كه به منظور تنظیم رشد گیاه مورد استفاده قرار میگیرند. بر اساس تعریف استاندارد, هورمونهای گیاهی مولكولهای پیام رسان هستند كه در یك مكان خاص در غلظت بسیار كم تولید شده و سبب بروز فرآیندهای مختلف در سلولهای هدف سایر قسمتها میشود.
هورمونها به پنج گروه اصلی تقسیم میشوند كه عبارتند از auxin (http://en.wikipedia.org/wiki/Auxin) ها, cytokinin (http://en.wikipedia.org/wiki/Cytokinin) ها, ethylene (http://en.wikipedia.org/wiki/Ethylene) ، gibberellin (http://en.wikipedia.org/wiki/Gibberellin) ها و abscisic acid (http://en.wikipedia.org/wiki/Abscisic_acid) (ABA) . به هرحال مطالعه رفتار فیزولوژیك گیاهان در شرایط مختلف رشدی بدون توجه به نوع پیامهای ارتباطی بین سلولها, پیشرفت محسوس نداشته و دلایل بروز تغییر در سلولها همواره ناشناخته خواهند مانند. بنابراین پرداختن به این بخش از دانش فیزولوژی امری اجتناب ناپذیر است.
- آنزیم شناسی (Enzymology)
باید به این نكته اشاره داشت كه تمامی متابولیتهای موجود در موجودات زنده چه تك سلولی و چه پر سلولی تنها درحضور آنزیمها تولید میشوند . بنابر این هرگونه مطالعه در زمینه متابولیتها بدون توجه به آنزیمها و نحوه عمل آنها در شرایط مختلف پیشرفت چندانی نخواهد داشت. آنزیم شناسی بستر اصول پایه و رئوس مطالب جدید دانش آنزیمها است كه اخیراً بسرعت در حال توسعه و پیشرفت سریع میباشد. آنزیم شناسی دانشی است كه تمامی جنبه های مربوط به آنزیمها شامل پراكنش, تولید, طبقهبندی, ساختمان, كارایی, سازوكار عمل و كاربردهای مختلف آن را بررسی میكند.
آنچه كه گفته شد نشان میدهد كه تمامی مطالعات ژنومیكسی, ترانس كریپتو میكسی , پروتئومیكسی, متابولومیكسی (شامل, گلایكو میكس و لیپیدومیكس), هورمون شناسی و آنزیم شناسی, شاخه هایی از علم فیزیولوژی مولكولی می باشند. برقراری ارتباط بین یافته ها و داده های چنین شاخه های از علم كار بسیار پیچیده و مشكلی است كه تخصص خاص خود را می طلبد. جمع بندی داده ها و استنتاج كلی از نتایج در شاخه جدیدی از علم به نام System Biology انجام می شود.
بنابراین در راستای پیشرفت كمی و كیفی پژوهشكده پیشنهاد می گردد كه در برنامه راهبردی, بخش فیزولوژی به سمت تحقیقات متابولومیكس گرایش یافته و بخش بیولوژی سیستمها راه اندازی شود. بدیهی لازمه این امر تجهیز بخش فیزولوژی به فناوری اسپكترومتری توده ای اعمم از GC/MS/MS , HPLC/MS/MS و سیستمهای تكمیلی, ESI/MS/MS و نهایتاً NMR می باشد.
ه. پروتئومیكس و كاربردهای آن در كشاورزی
در سال های اخیر با كمك ابزار های مولكولی امكان پژوهش در سطح سلولی و مولكولی برای فهم مكانیزم ها و روابط بین عوامل مختلف دخیل در آنها مهیا شده است. علاوه بر بررسی های ژنومیك كه عمدتا روی اسید نوكلئیك صورت می گیرد مطالعه در سطح پروتئین برای شناسایی پروتئین های دخیل در فرایند های نموی و مكانیزم های تدافعی در برابر عوامل تنش زای محیطی نیز قابل توجه است.
در سال 1996 ، گروهی از پژوهشگران عبارت پروتئوم (proteome) را برای پروتئینهای بیان شده توسط ژنوم بكار بردند. كه اشاره به كل پروتئینهای بیان شده در یك سلول، بافت، یا جاندار دارد. مطالعه پروتئوم و تغییرات آن در محیط و در طی فرایند رشد و نمو را پروتئومیكس می‌نامند که امروزه جایگاه خاصی یافته است چرا كه این پروتئین بیان شده توسط ژن است كه در نهایت مسئول تمام فرایندهای سلول است و پیش بینی ساختار، عمل و فراوانی آن از روی اطلاعات ژنوم یا ترانسكریپتوم دقت كافی را ندارد. از طرفی بسیاری از فعالیتهای سلول در نتیجه اثر متقابل پروتئین و پاسخ آنها به علایم داخلی و خارجی و یا تغییرات پس از ترجمه ناشی میشوند كه مطالعه آنها تنها در سطح پروتئینها امكان پذیر است.
- پروتئوم گیاهان تحت تنش های شوری و خشكی
در ایران اراضی تحت تاثیر شوری در حدود 15% تخمین زده می شود (24500 كیلومتر مربع) كه بیشتر آنها در مناطق خشك و نیمه خشك كشور قرار دارد. بنا بر گزارش FAO، در سال 2001-2000 خشکی بر روی حدود 35 میلیون نفر در ایران اثر گذاشته است.مقابله با این تنش ها مستلزم بکارگیری راهکارهای مختلفی از جمله بهبود زیر ساخت های، استفاده بهینه از منابع آب و خاک و اصلاح نبات نام برد. در این میان اصلاح گیاهان برای افزایش مقاوت تنشها یكی از موثرترین روشهای مقابله می باشد. با این وجود، روشهای اصلاحی سنتی برای رسیدن به این هدف با مشكلات بسیاری روبرو بوده و روند آن كند میباشد كه بخش عمده آن به پیچیدگی مکانیسم های مقاومت و تعداد بسیار زیاد ژنهای دخیل در آن برمی‌گردد. اگر چه انتخاب بر اساس صفات مرفولوژیك و فیزیولوژیك از اهمیت بسیار بالایی برخوردار است اما در مورد صفات پیچیده‌ای همچون مقاومت به شوری و خشکی، نیاز به استفاده از ماركرهای مولكولی برای غلبه بر پیچیدگی مكانیسمهای مربوطه الزامی میباشد. امروزه تلاش زیادی به نقشه یابی جایگاهای كنترل‌كننده صفات كمی یا QTL(Quantitative Trait Loci) در جریان است تا بتوان با استفاده از آنها در انتخاب به كمك ماركرها یا MAS (Marker Assisted selection) كارآیی و سرعت انتخاب را بالا برد. راهكار QTL، علیرغم چشم‌اندازهای روشن و كاربردهای آن، خود دچار محدودیت‌هایی است كه از آن جمله میتوان به كوچك بودن اثرات QTLها و genetic drift ناشی از فاصله ماركر با ژن اشاره نمود. بخش عمده‌ای از این محدودیت ها به عدم شناخت ما از ژنهای دخیل در پاسخ گیاهان به تنش برمی‌گردد. عرصه‌های جدید پروتئومیكس (proteomics) با قابلیت ایجاد حجم بسیار زیاد اطلاعات، در تركیب با روشهای نوین ژنومیكس و بیوانفورماتیك، امكان شناسایی مكانیسمها و ژنهای دخیل در پاسخ این گیاهان به تنشها را فراهم می‌سازد.
توان بالای در تفكیك پروتئینها این امكان را فراهم می‌سازد كه انواع تغییرات كیفی (بودن یا نبودن و یا تغییر مكان) و كمی (افزایش یا كاهش بیان) پروتئین در شرایط تنش و بدون تنش و در گیاه مقاوم و حساس مطالعه شود. تركیب این الگوی بیانی با داده‌های MS اطلاعات بسیار با ارزشی از مكانیسمهای دخیل در پاسخ گیاه به تنش را فراهم می‌سازد. اثر تنش شوری بر روی پروتئوم برگ و ریشه برنج مقاوم و حساس به شوری مطالعه شده است. اثر تنش خشكی و بازیافت پس از تنش نیز در دو رقم برنج CT9993 (برنج upland با ریشه‌های عمیق) و IR62266 (برنج lowland با ریشه‌های كم عمق) و چغندرقند با استفاده ازالكتروفورز دوبعدی نیز مورد بررسی قرار گرفته است. اجزاء عملکرد یعنی تعداد خوشه در واحد سطح تعداد دانه در هر خوشه و وزن متوسط هر دانه در این مراحل تحت تأ ثیر قرار می گیرند. تنشهای محیطی در مرحله زایشی یكی از عوامل اصلی كاهش عملكرد در گیاهان است. اگرچه منابع نسبتا زیادی در ارتباط با بررسی پروتئوم گیاهان تحت تنشهای غیرزنده وجود دارند، منابع بسیار اندکی بر روی شناسائی پروتئوم گیاهان در مرحله زایشی وجود دارند
انواع پروتئین های و مکانیسم های پاسخ دهنده به خشکی و شوری شناسایی شده اند (جدول 7). اکثر پروتئین های شناسایی شده در این مطالعات در سم زدایی رادیکالهای اکسیژن، سنتز پروتئین، متابولیسم، سیگنال ترانسداکشن، کنترل بیان و ترجمه نقش دارند.
مسیر شناسایی ژن تا اصلاح نباتات مولکولی را می توان به سه مرحله تقسیم نمود: شناسایی ، تایید (Validation)و استفاده در اصلاح نباتات. همانگونه که در این مقاله بحث شد، پروتئومیکس می تواند ابزاری قوی برای شناسایی ژنهای کاندیدا مقاومت به تنش باشد. مطالعات ما و سایر محققان نشان می دهد که بخشی از این ژنهای کاندیدا در میان گیاهان مختلف مشابه هستند. در صورت اثبات ارتباط این ژنها با مقاومت می توان راهبرد مشترکی را برای اصلاح این گیاهان در نظر گرفت. گروه دیگری از ژنها اختصاص به گیاه و یا تنش خاص دارند، در صورت اثبات ارتباط این ژنها با مقاومت می توان از آنها برای هرم سازی ژنی (gene pyramiding) برای افزایش مقاومت به تنش استفاده نمود.
تایید ژنهای کاندیدا مقاومت از مهم ترین مراحل مسیر شناسایی ژن تا اصلاح نباتات مولکولی می باشد. راهکارهای مختلفی می توانند در این مرحله به کار گرفته شوند که از آن میان می توان به آزمون ژنهای کاندید در جمعیت های در حال تفرق، دستکاری ژنی و مطالعه جهش یافته ها نام برد. هم اکنون، موسسه تحقیقات بیوتکنولوژی کشاورزی با همکاری سایر موسسات در حال توسعه جمعیت های در حال تفرق برای برخی از گیاهان مهم می باشد مه پس از ارزیابی والدین، نتاج آنها نیز آنالیز بیان شوند. همچنین راهکار انتقال ژن برای تایید بطور جدی در حال بررسی و پیگیری می باشد. راهکار مقایسه پروتئوم نیز می تواند در این مرحله مفید باشد زیرا بر طبق گستردگی و نحوه بیان ژنهای کاندید، می توان لیست تهیه شده برای تایید را تا حد ممکن کوچکتر نموده و بدین ترتیب در وقت و هزینه بالای مرحله تاییأ صرفه جویی نمود.
در انتها امید است که پس از طی مراحا فوق بتوان ژنهایی را برای بکار گیری در اصلاح نباتات مولکولی از طرق MAS و انتقال ژن معرفی نمود.((دانلود http://scbio.ir/image/image_gallery?img_id=23200 (http://scbio.ir/c/document_library/get_file?folderId=23203&name=DLFE-403.pdf)))
ستاد توسعه زيست فناوری
كمیته ترویج و ارتباطات
بیوتكنولوژی (فناوری زیستی)
و
اهمیت آن در كشاورزی
مقدمه
بیوتكنولوژی (فناوری زیستی) فناوری مولود تلفیق علوم زیستی و دانسته های كشاورزی، پزشكی و فنی مهندسی است و مبتنی بر استفاده از موجودات زنده و یا محصولات آنها برای تولید مواد، فراورده ها، خدمات رسانی و رفع نیازمندهای بشر و یا محیط زیست می باشد كه به عنوان یكی از هفت رشته كلیدی جهان شناخته می شود. استفاده از این فناوری در دهه های گذشته منحصر به كشور های توسعه یافته نبوده و كشور های در حال توسعه نیز نیاز به استفاده از ان را احساس كرده و با سرمایه گذاری درا ین بخش بدنبال دست یابی به آن بوده اند. شاید به جرات بتوان گفت كه مهمترین كاربرد بیوتكنولوژی در بخش كشاورزی می باشد بطوریكه امروزه پیشرفت کشاورزی در دنیا مرهون دستاوردهای علمی در تولید و سرمایه گذاری در این حیطه باشد. زیست فناوری کشاورزی می تواند در عرصه های مختلف كشاورزی شامل گیاهی، حیوانی، میكروبی، تولیدات غذایی و تولید فراورده های جدید و محیط زیست كاربرد داشته باشد. جوامعی كه قابلیت بیشتری در علم و تكنولوژی داشته باشند از دستاورد ها و منافع حاصل از زیست فناوری بیشتر بهره مند می شوند. استفاده از این فرصت و بهره مندی نیاز به ایجاد زمینه و شرایط لازم دارد. نیروی انسانی توانا و مجهز به علم و تلاش در جهت ایجاد تكنولوژی مبتنی بر علم راه را برای تجاری نمودن تكنولوژی و استفاده جمعی در سطوح ملی از منافع حاصل از آن را باز می كند.
ذیلا كاربردهای مختلف زیست فناوری در كشاورزی اشاره شده است:
الف. كشت بافت گیاهی (ریزازدیادی) و کاربردهای آن در کشاورزی:
تکنیک کشت بافت گیاهی كه بدلیل خصوصیت توتی پتنسی (توانایی سلول های موجودات زنده برای ایجاد یك موجود كامل) موجودات زنده مخصوصا گیاهان استوار می باشد، در سه دهه اخیر توانسته است كاربردها ی بسیار گسترده ای در كشاورزی داشته باشد. در این تكنیكها، بافت یا سوسپانسیون سلولی گیاهی ضدعفونی شده و سپس تحت شرایط استریل درون ظروف كشت بر روی محیط غذایی مناسب قرار داده میشود. محیط كشت شامل نمکهای معدنی، ویتامینها و شکر به اضافه تنظیم کننده های مصنوعی و طبیعی رشد گیاه می باشد، که میتواند رشد گیاه را برای برطرف کردن نیازهایش جهت نیل به یک هدف خاص کنترل کند، به این نوع کشت، كشت "درون شیشه‌ای" میگویند. كشت بافت گیاهی گستره وسیعی را در بر میگیرد كه شامل كشت پروتوپلاست، سلول، بافت و اندام گیاهی است. كشت بافت همچنین پیش نیاز مهندسی ژنتیك است زیرا از سلول تغییر یافته باید بتوان یك گیاه كامل بوجود آورد.
روشهای كشت‌بافت كه از ده‌های گذشته مورد استفاده قرار گرفته و در حال حاضر می توان گفت به مرحله بلوغ خود رسیده‌است در كشورهای توسعه یافته و نیز در حال توسعه خصوصا كشورهای آسیایی به صورت گسترده مورد توجه قرار گرفته‌است. از آنجا كه كاربرد كشت‌بافت وسایل مورد نیاز گران‌قیمتی را نیاز ندارد این روش میتواند نقش كار بردی مناسبی را در كشورهای در حال توسعه ایفا نماید. درحال حاضر كشت بافت و بویژه ریزازدیادی یكی از گسترده ترین كاربردهای بیوتكنولوژی است. كشت بافت و ریزازدیادی مهم ترین تكنیكهای استفاده شده برای تكثیر سریع غیرجنسی در شرایط درون شیشه‌ای است. این روش از نظر زمان و فضای مورد نیاز برتری اقتصادی دارد و بازده بیشتر افزونه‌های الیت و عاری از بیماری را برای ما فراهم میكند. انتقال بی‌خطر و قرنطینه ژرم پلاسم را در داخل كشور و بین كشورهای دیگر تسهیل مینماید. زمانیكه روشهای سنتی قادر به تامین تقاضا برای تكثیر مواد گیاهی نمی‌باشند، این روش می تواند میلیونها گل و گیاه را با عملكرد بالا و به صورت یكنواخت تولید نماید. در حال حاضر تقریبا ریزازدیادی همه میوه جات و سبزیجات امكانپذیر است. تولید مواد گیاهی عاری از ویروس با استفاده از كشت مریستم در خیلی از گیاهان زراعی و باغی امكان پذیر شده است.
نجات جنین جنبه دیگری از كاربردهای كشت بافت است جایی كه بهنژادگران گیاهی تلاقی‌هایی انجام میدهند كه جنین قادر به ادامه رشد به حالت معمولی نیست و سقط میشود، كشت بافت می تواند این جنین‌ها را نجات داده و از آنها گیاه تهیه شود. همچنین كشت جنینهای جداشده در مراحل مناسب نمو میتواند مشكلات موجود در ناسازگاریهای بعد از تشكیل تخم را مرتفع سازد. این روش در مورد گونه‌های باغی و با عمر طولانی بسیار مهم و معنی داراست. بسیاری از گونه‌های لگوم مناطق خشك به طور موفقیت آمیزی از لپه، هیپوكوتیل، برگ، تخمدان، پروتوپلاست، دمبرگ، ریشه، بساك و .... باززایی شدهاند.
تولید گیاهان هاپلویید از طریق كشت بساك یا گرده یكی دیگر از جنبه‌های مهم در بهنژادی گیاهان زراعی و باغی شناخته میشود. مزیت این روش در سرعت عمل و اقتصادی بودن آن است. هموزیگوسیتی كامل نتاج، به انتخاب فنوتیپی مناسب برای صفات كمی و بویژه صفات كیفی به ارث رسیده كمك میكند و در نتیجه كار اصلاح را فوق العاده ساده‌تر مینماید. جداسازی، كشت و آمیزش موفق پروتوپلاست‌ها در انتقال نر عقیمی سیتوپلاسمی برای بدست آوردن هیبریدهای با بنیه بیشتر از طریق بازتركیبی میتوكندریایی و نیز در انتقال ژن در گیاهان بسیار مفید بوده است.
نگهداری درون شیشه ای ذخایر ژنتیكی ارزش زیادی در ارائه راه حل و نیز به عنوان روشی جایگزین برای غلبه بر موانع و مشكلات مدیریت ذخایر ژنتیكی است. در گیاهانی كه به طور رویشی تكثیر میشوند و نیز در گیاهانی كه بذور ریكلسیترنت تولید میكنند و در گیاهان دایمی (چندساله) كه هتروزیگوسیتی زیادی دارند، نگهداری بذر به عنوان ذخایر ژنتیكی مناسب نمی‌باشد. در چنین محصولاتی به طورخاص ذخیره درون شیشه‌ای اهمیت كاربردی فوق العاده‌ای دارد. موفقیت این روشها در مورد چندین محصول زراعی و باغی اثبات شده است و در حال حاضر مراكز مختلف كلكسیون درون شیشه‌ای ذخایر ژرم پلاسم موجود میباشد. نگهداری درون شیشه‌ای ذخایر ژنتیكی كار مبادله مواد گیاهی عاری از آفات و بیماریها را ساده‌تر كرده و به داشتن قرنطینه بهتر كمك میكند.
بهنژادگران گیاهی به طور مداوم به دنبال منابع تنوع ژنتیكی جدیدی هستند كه پتانسیل مفیدی برای اصلاح و بهنژادی گیاهان را داشته باشند. بخشی از گیاهان كه از طریق كشت بافت باززایی میشوند اغلب تغییرات فنوتیپی متفاوتی با فنوتیپ گیاه اصلی نشان می دهند. چنین تنوعی كه به اصطلاح تنوع سوماكلونی گفته میشود ممكن است وراثت‌پذیر باشد یعنی به طور ژنتیكی ثبات داشته و به نسل بعدی منتقل شود. متقابلا تنوع ممكن است اپیژنتیكی باشد و در تولید مثل جنسی ناپدید شود و به نسل بعد منتقل نشود. تنوع وراثت‌پذیر به طور بالقوه برای اصلاح گران مفید میباشد.
مهمترین كاربردهای كشت‌بافت گیاهی
ازدیاد سریع و انبوه گیاهان همگروه (كلون) و تولید گیاهان عاری از بیماری:
فن‌آوری كشت بافت برای تكثیر انبوه در كاربردهای صنعتی به خوبی مورد بهره‌برداری قرار گرفته‌است. ریزازدیادی تجارتی گیاهان به منظور عاری نمودن آنها از عوامل بیماریزا، تولید پایدار در طول سال، كیفیت بالا، تولید گیاهان یكسان ژنتیكی و سایر خصوصیات زراعی و باغبانی مطلوب انجام شده‌است. كاربرد این روش در بسیاری از گیاهان مهم اقتصادی امكان پذیر است. بعنوان مثال می توان به تولید سریع و انبوه سیب زمینی، توت فرنگی، موز، نخل روغنی، خرما، مارچوبه و نیشكر از گیاهان زراعی و باغی، اوكالیپتوس و سپیدار از درختان جنگلی، دیفن باخیا، دراسنا، انجیر زینتی(فیكوس) ، اركیده، فیلودندرون، داودی، شمعدانی، رز، میخك، كوكب، ژربرا و سینگونیوم از گلها و گیاهان زینتی در سطح دنیا اشاره كرد كه منجر به معرفی پروتكل و تولید انبوه شده است. این روش علاوه برتكثیر سریع و تولید گیاهان عاری از عوامل بیماریزا، در اكثر گیاهان چند ساله باعث كاهش دوره نونهالی و زود بازدهی آنها می شود بعلاوه برای تكثیر آنها به فضای بسیار كمتری نیاز می باشد.
بیماریهای ویروسی در كشاورزی و باغبانی ضایعات زیادی را بوجود می آورند. درصورتیكه بتوانیم مجموعه بسیار كوچك سلولی كه هنوز به بیماری آلوده نشده است از گیاهان بیمار جدا كنیم می توان مجموعه گیاهی سالم و جدیدی را از آنها بوجود آورد. سلولهای آلوده نشده به بیماری اغلب فقط در بافت سلولی منطقه راس ساقه یافت می شوند زیرا كه سرعت تقسیم سلولهای بافت مریستم بیش از سرعت اشاعه عامل بیماری از یك سلول به سلول دیگر می باشد. بعنوان مثال تولید غده های بذری عاری از ویروس در سیب زمینی در افزایش عملكرد آن تاثیر به سزایی دارد.
ایجاد گیاهان عاری از بیماری جهت استفاده ملی و تبادلات بین المللی لازم و ضروری است. از آنجا كه بافتهای كشت شده در "درون شیشه" برای زنده‌ماندن و رشد كردن باید عاری از هر گونه عوامل بیماری باشند. در عملیات كشت‌بافت آلودگی‌های ظاهری با ضدعفونی سطحی ریزنمونه‌ها حذف میشوند. بیشتر آفات قارچی، باكتریایی، نماتدها و حشرات نیز در مسیر كشت‌بافت با استفاده از تكنیك كشت مریستم، تیمار گرما درمانی، استفاده از آنتی بیوتیك‌ها و ضد قارچها (آنتی میكوت‌ها) حذف می‌گردند. اما ویروسها، ویروئیدها و مایكوپلاسماهای خاص در درون گیاه می‌توانند باقی مانده و تكثیر شوند. روشهای حذف ویروسها شامل تیمارهای حرارتی و شیمیایی میباشند كه پس از اعمال تیمار، آزمون‌های نموده‌سازی ویروس برای اطمینان از سلامت مواد گیاهی به كار گرفته میشوند. روشهای مختلف مانند استفاده از گیاهان محك، میكروسكپ الكترونی، تجزیه اسید نوكلئیك و آزمون‌های سرولوژیكی مانند آزمون الیزا (ELISA) برای نموده‌سازی از نظر ویروس مورد استفاده قرار میگیرند.
ذخیره ژرم‌پلاسم و نگهداری درازمدت گیاهان پایه:
ذخیره سازی و نگهداری چندین ساله بذور گیاهانی كه از طریق بذر تكثیر می یابند در صورت آماده بودن انبارهای مناسب معمولا به راحتی امكان پذیر است. ولی این مطلب در مورد گیاهانی كه تكثیر آنها بطور رویشی انجام می گیرد صدق نمی نماید زیرا در چنین مواردی دو عامل وجود دارد كه نگهداری گیاه مادر را مشكل می نماید اولا جلوگیری از آلوده شدن گیاهان پرارزش به بیماریهای مختلف در مزرعه و گلخانه كه مستلزم مبارزه با عوامل بیماریزا، آفات، ضد عفونی خاك و انتخاب گیاهان می باشد، ثانیا در گیاهانی كه بایستی در گلخانه نگهداری شوند هزینه های لازم طی چندین سال بسیار زیاد می باشد. لذا بمنظور حل مشكلات فوق‌الذكر و جلوگیری از آلودگی مجدد گیاهان سالمی كه از طریق كشت بافت مریستم گیاهان مبتلا به بیماریهای ویروسی بدست آمده‌اند، مبادرت به ایجاد بانك ژن یا بانك گیاهی مینمایند و بوسیله محیطهای كشت بافتهای گیاهی میتوان یك مقدار از گیاه سالم را در شرایط استریل طی چندین سال نگهداری نمود.
نگهداری درون شیشه ای ذخایر ژنتیكی ارزش زیادی در ارائه راه حل و نیز به عنوان روشی جایگزین برای غلبه بر موانع و مشكلات مدیریت ذخایر ژنتیكی است. در گیاهانی كه به طور رویشی تكثیر میشوند و نیز در گیاهانی كه بذور ریكلسیترنت تولید میكنند و در گیاهان دایمی (چندساله) كه هتروزیگوسیتی زیادی دارند، نگهداری بذر به عنوان ذخایر ژنتیكی مناسب نمی‌باشد. در چنین محصولاتی به طورخاص ذخیره درون شیشه‌ای اهمیت كاربردی فوق العاده‌ای دارد. موفقیت این روشها در مورد چندین محصول باغی اثبات شده است و در حال حاضر مراكز مختلف كلكسیون درون شیشه‌ای ذخایر ژرم پلاسم موجود میباشد. نگهداری درون شیشه‌ای ذخایر ژنتیكی كار مبادله مواد گیاهی عاری از آفات و بیماریها را ساده‌تر كرده و به داشتن قرنطینه بهتر كمك میكند. كاربرد كشت‌بافت در حفظ منابع ژنتیكی شامل ذخیره كردن ژرم پلاسم به صورت كشت‌های با رشد بطئی یا به صورت بافت ذخیره منجمد است كه با استفاده از روشهای كشت‌بافت می‌توانند باززایی شوند. سایر كاربردها شامل حذف ویروسها از ژرم‌پلاسم‌های با ارزش، تبادل بین المللی ژروم‌پلاسم به صورت نمونه‌های كشت‌بافت ضدعفونی شده، و تكثیر سریع ژرم‌پلاسم برای برنامه‌های اصلاحی میباشد.
انتخاب گیاهان جهش‌یافته (جهش های خود به خودی یا القایی) و تنوع سوماكلونی:
بهنژادگران گیاهی به طور مداوم به دنبال منابع تنوع ژنتیكی جدیدی هستند كه پتانسیل مفیدی برای اصلاح و بهنژادی گیاهان را داشته باشند. بخشی از گیاهان كه از طریق كشت بافت باززایی میشوند اغلب تغییرات فنوتیپی متفاوتی با فنوتیپ گیاه اصلی نشان می دهند. چنین تنوعی كه به اصطلاح تنوع سوماكلونی گفته میشود ممكن است وراثت‌پذیر باشد یعنی به طور ژنتیكی ثبات داشته و به نسل بعدی منتقل شود. متقابلا تنوع ممكن است اپیژنتیكی باشد و در تولید مثل جنسی ناپدید شود و به نسل بعد منتقل نشود. تنوع وراثت‌پذیر به طور بالقوه برای اصلاح گران مفید میباشد. مطالعات ثابت كرده‌است كه در كشت‌بافت گیاهی، به خصوص كشت سلول و كشت بافت پینه‌ای، به دلایل ناشناخته ای جهش های نقطه ای، حذف و جابجایی های قطعات كروموزومی صورت می گیرد كه خود باعث تنوع ژنتیكی قابل توجهی بین گیاهان حاصل و گیاه مادر میشود كه میتواند در جمله اصلاح نباتات نقش مهمی را ایفا نماید و راه را برای انتخاب ژنوم هایی با مشخصات جدید هموار می سازد. با وجود اینکه تنوع سوماكلونی، منبع تازه‌ای از تنوع را برای اصلاح گیاه فراهم میكند، ولی در اكثر كاربردهای كشت‌بافت گیاهی، حفظ همسانه یك ملاحظه عمده است.
از جمله كاربردهای موفقیت آمیز این روش در برخی گیاهان زراعی و باغی كه منجر به افزایش محصول در دنیا شده است، عبارتند از : لاینهای متحمل به شوری، غوطه‌وری و مقاومت به سوختگی غلاف در برنج، مقاومت به ویروس لكه چشمی و افزایش قند در نیشكر، مقاومت به زنگ، سفیدك داخلی و بلایت در سیب زمینی و كاهش قهوه‌ای شدن آن بعد از پوست كندن، مقاومت به پژمردگی فوزاریمی و درصد گوشت بالا در گوجه فرنگی و تولید گوجه فرنگی هایی با رنگ ، طعم و بافت عالی، مقاومت به پژمردگی فوزاریمی در موز كاوندیش، عملكرد بالاتر در گندم، ایجاد رقم بدون خار تمشك، تحمل به شوری و گرما در كتان، مقاومت به پژمردگی فوزاریمی در كرفس، مقاومت به ویروس موزائیك در توتون، عملكرد بالا و مقاومت به ریزش در خردل هندی، تولید میوه‌های زرد و زودرسی در فلفل سبز میباشند.
تولید گیاهان هاپلویید/دابلد هاپلویید به منظور ایجاد لاینهای خالص:
در یك برنامه انتخاب اصلاح نباتاتی با استفاده از روش كشت هاپلوئیدها و بعد دو برابر كردن گیاهان کروموزومهای گیاه هاپلوئید، می توان زمان لازم برای رسیدن به یك لاین ایزوژن (یكسان ازنظر ژنتیكی) را حداقل از پنج تا شش نسل به یك یا دو نسل كاهش داد. بنابراین مهمترین مزیت این سیستم رسیدن به هموزیگوتی مطلق در حداقل زمان ممكن می باشد. هموزیگوت‌های به وجود آمده از كشت‌بافت به دنبال تفكیك میوزی میتواند تعدادی از خصوصیات ارزشمند مغلوب را كه در جوامع هتروزیگوت طبیعی تجمع یافته و ظاهر نمی‌شدند را آشكار سازد. در صفات كیفی احتمال دستیابی به یك ژنوتیپ خاص (تركیب خاصی از ژنها در شرایط هموزیگوت) با n جفت ژن در نسل F2 برابر باn (4/1) می باشد در حالیكه این احتمال در روش هاپلوییدی معادل نسبت گامتهای نر یا ماده یعنی n (2/1) می باشد. بعبارتی یك جمعیت كوچكتری از لاینهای دابلد هاپلویید جهت غربال كردن نوتركیبهای مطلوب مورد نیاز است. در صفات كمی اولا در سیستم دابلد هاپلویید واریانس ژنتیكی در لاینها تنها شامل واریانس افزایشی است كه ارزش واقعی اصلاحی آنها را آشكار می سازد و فنوتیپ گیاه با اثرات غالبیت پوشیده نمی شود، ثانیا بدلیل هموزیگوتی مطلق لاینها گیاهان داخل یك قطعه آزمایشی از نظر ژنتیك كاملا یكسان می باشند.
روشهای اصلی تولید گیاهان هاپلویید/دابلد هاپلویید شامل حذف كروموزومی، كشت تخمك و تخمدان، كشت بساك و كشت میكروسپور می باشد. در میان روشهای مختلف، روش كشت میكروسپور جدید ترین و كارآمدترین روش می باشد. كشت میكروسپورهای جدا شده مزایای متعددی نسبت به سایر روشهای تولید هاپلویید دارد. میكروسپورها كه سلولهای هاپلویید بالقوه جنین زا می باشند می توانند به تعداد زیاد ایزوله و كشت گردند. با توجه به اینكه كشت میكروسپور فقط دارای سلولهای منفرد هاپلویید می باشد امكان انتخاب تك سلول را فراهم می سازد. در روش كشت میكروسپور در مقایسه با كشت بساك شانس باززایی گیاهان دیپلویید بدلیل حذف شدن بافتهای دیپلویید مانند دیواره بساك و تیغه بساك محدود می شود. همچنین با حذف بساك، مواد ممانعت كننده رشد میكروسپورها (آبسیزیك اسید و مواد سمی دیگر) حاصل از ترشحات دیواره بساك، دیگر بعنوان مشكل مهمی نخواهد بود. مشاهده دقیق تمام مراحل آندروژنز در روش كشت میكروسپور امكان پذیر است. اغلب در نتیحه كشت میكروسپور، تبدیل مستقیم میكروسپور به جنین اتفاق می افتد. مطالعه تاثیر فاكتورهای مختلف بر روی میكروسپورها به لحاظ جدا بودن میكروسپورها و مشاهده راحت آنها به سهولت امكان پذیر است. امكان استفاده از روشهای انتقال ژن به طور مستقیم بر روی میكروسپورها وجود دارد.
باروری و كشت جنین یا تخمك در "درون شیشه":
در مواردی كه بهنژادگران گیاهی تلاقی‌هایی انجام میدهند كه جنین قادر به ادامه رشد به حالت معمولی نیست و سقط میشود، كشت بافت می تواند این جنین‌ها را نجات داده و از آنها گیاه تهیه شود. همچنین كشت جنینهای جداشده در مراحل مناسب نمو میتواند مشكلات موجود در ناسازگاریهای بعد از تشكیل تخم را مرتفع سازد. بکارگیری این روش در مورد گونه‌های باغی ریكلسیترنت و با عمر طولانی بسیار مهم و معنی داراست.
از كاربردهای نجات جنین میتوان غلبه بر عدم زنده‌مانی جنینهای حاصل از تلاقی‌های ناموفق در اصلاح نباتات در زیوه (in vivo) نام برد. نجات جنین در باز یافت جنینهای دورگ بین گونه‌ای در پنبه، جو، گوجه فرنگی، برنج و غیره موفقیت آمیز بوده‌است. همجنین جوانه‌زنی پارازیت‌های اجباری بدون میزبان در زیوه غیر ممكن است ولی با كشت جنین قابل دستیابی میباشد. كشت جنین به طور موفقیت آمیزی برای غلبه بر خواب ناشی از اثر باز دارنده‌های جوانه‌زنی بذر در بذرهای زنبق و برای جوانه‌زنی موفق بذرهای نابالغ اركیده مورد استفاده قرار گرفته‌است. خواب بذر ممكن است توسط پوشش بذر و یا اندوسپرم تحمیل شده‌باشد. با حذف این دو، بذرها بلافاصله جوانه می‌زنند. جوانه‌زنی كند بذر ناشی از محدودیت ایجاد شده توسط پوشش بذر برای جذب اكسیژن و آب نیز می تواند با كشت جنین حذف شود. غلبه بر خواب بذر به نوبه خود میتواند در كوتاه‌تر كردن چرخة اصلاح موثر باشد. جلو گیری از سقط جنین با پیش‌رس كردن میوه‌های هسته‌دار یكی دیگر از كاربردهای كشت جنین میباشد. در تلاقی های میوه‌های هسته‌دار پیش‌رس شده (مثل هلو، گیلاس، زردالو و گوجه) انتقال آب و مواد غذایی به جنین نابالغ گاهی بسیار سریع قطع شده و منجر به سقط جنین میگردد. بنابراین نجات جنین تنها راه غلبه بر این مشكل است. جنین‌ها در گیاهان خانواده پوآسه و نیز در سوزنی برگها به عنوان مواد اولیه برای تكثیر رویشی مورد استفاده قرار میگیرند، بنابراین كشت "درون شیشه‌ای" جنین در این گیاهان از اهمیت برخوردار است.
دو رگ‌گیری سوماتیكی با استفاده از فن‌آوری كشت پروتوپلاست:
از دو رگ گیری سوماتیکی و امتزاج پروتوپلاست می توان جهت دستكاری گونه های گیاهی، افزایش تنوع، ایجاد صفات یا گیاهان جدید و تولید سیبریدها (دورگ های سیتوپلاسمی) استفاده نمود. بطور کلیكاربردهای دورگ‌گیری سوماتیكی و كشت های پروتو پلاستی را می توان به سه دسته تقسیم كرد:
الف) می توان دو یا تعداد بیشتری پروتوپلاست را به امتزاج تحریك نمود و محصول امتزاج یافته را به دقت پرورش داد تا گیاه دورگ تولید شود. اگرچه این پدیده به دفعات مشاهده شده‌است، اما امتزاج پروتوپلاست‌های جدا شدة بعضی از گونه‌ها به دست نیامده است. در برخی موارد دورگ‌هایی كه به دلیل ناسازگاری جنسی یا فیزیكی با روشهای معمول در ژنتیك گیاهی نمی‌توانند تولید شوند، با امتزاج سلولهای سوماتیكی می‌توانند ایجاد شوند. كشت و آمیزش موفق پروتوپلاست‌ها در انتقال نر عقیمی سیتوپلاسمی برای بدست آوردن هیبریدهای با بنیه بیشتر از طریق بازتركیبی میتوكندریایی و نیز در انتقال ژن در گیاهان بسیار مفید بوده است.
ب) بعد از حذف دیواره سلول، پروتوپلاست جدا شده قادر است مواد خارجی را با فرآیندی شبیه به آندوسیتوسیز (مثل آنچه در آمیب است) به داخل سیتوپلاسم خود بكشد. به صورت آزمایشی پیشرفت‌هایی در وارد نمودن هستك‌ها، كلروپلاست‌ها، میتوكندری‌ها، DNA، پلاسمید‌ها، باكتریها، ویروسها و غیره به وجود آمده‌است.
ج) پروتوپلاست كشت شده به سرعت دیواره سلولی جدیدی را بازسازی میكند. این فرایند نموی، سیستم جدیدی برای مطالعه بیوسنتز دیواره سلول و تشكیل آن پیشنهاد مینماید.
القای گلدهی"درون شیشه‌ای":
سیستم درون شیشه‌ای كه قادر به تولید نسبتأ سریع گلهای بارور باشد اهمیت كاربردی قابل ملاحظه‌ای در اصلاح گونه‌های گیاهی دارد كه گدهی آنها دشوار است یا فقط هر چند سال یك‌بار گل میدهند. به عنوان مثال خیزران (Bambusa arundinacea) در سر تاسر عمر خود فقط یك‌بار گل میدهد و در انتهای فصل میوه دهی از بین میرود. این گلدهی تك بر (monocarpic flowering) بعد از 12 تا 24 سال رشد اتفاق می‌افتد و به صورت گروهی یعنی، تمام خیزران‌های یك جمعیت محلی به طور همزمان به گل می‌روند. با توجه به غیر پیش بینی بودن رفتار گلدهی و بذر دهی، مسلم است كه اصلاح خیزران خیلی مشكل میباشد. این مسئله برای خیزران در سال 1990 توسط ناگوادا و همكاران حل شد و آنها توانستند در شرایط درون شیشه ظرف چند ماه گلها و بذرهای طبیعی تولید نمایند. مثال دیگر تولید مستمر گلهای بارور و بذر زنده برای اركیده میباشد. اركیده‌ها به طور متوسط به سه تا شش سال زمان برای بالغ شدن نیاز دارند. با روش گلدهی درون شیشه‌ای، گلها و بذرهای زنده ظرف شش ماه پس از كشت می‌توانند تولید شوند.
- ایجاد گیاهان تراریخته: كشت سلول و بافتهای گیاهی به صورت پیش نیاز و لازمه برنامه‌های انتقال مصنوعی ژن و مهندسی ژنتیك میباشد و بدون آن ایجاد گیاهان تراریخته امكانپذیر نیست. مهندسی ژنتیك پیچیده‌ترین شاخه زیست فن‌آوری است كه شامل روشهای انتخاب ژن مورد نظر، مكان‌یابی، جداسازی، خالص سازی، تكثیر و انتقال ژنها و ارزیابی بروز آنها در موجود زنده میباشد. این فن‌آوری امكاناتی را فراهم می‌آورد كه با روشهای سنتی كلاسیك امكانپذیر نیست. از جمله گیاهان زراعی دستورزی شده میتوان مثال‌های زیر را عنوان كرد. ذرت، برنج، پنبه، سیب زمینی و گوجه فرنگی (برای كنترل آفات پروانه‌ای و سوسك‌ها)، گندم و برنج (برای كنترل بیماریهای قارچی به ویژه شیت بلایت برنج و فوزاریم گندم) سویا، پنبه، ذرت، كلزا، چغندر قند، برنج و كتان (برای ایجاد مقاومت به علف كش عمومی و در نتیجه ایجاد امكان مبارزه ارزان‌تر و موثر تر با علف‌های هرز توسط این قبیل علف كش‌ها)، برنج (برای افزایش ارزش غذایی آن با تولید ویتامین A یا پروتئین شیر انسانی به ویژه جهت تولید غذای كودك)، برنج (برای تأخیر در پیری و افزایش دوره رشد و افزایش عملكرد)، گوجه فرنگی (برای افزایش طول دوره انبارداری و تأخیر در رسیدگی و لهیدگی)، كدو، خربزه درختی و سیب زمینی (برای افزایش مقاومت به بیماریهای ویروسی)، گوجه فرنگی، سویا و كلزا (برای تغییر كیفیت روغن).
- تولید متابولیتهای ثانویه:
گیاهان در طول زندگی خود مواد شیمیایی و پیچیده‌ای تولید میكنند كه در رشد و نمو و فعالیتهای حیاتی گیاه نقشی ندارند. این مواد "متابولیتهای ثانویه" نامیده می شوند. مواد معطر، مواد مؤثر دارویی، فرمونها (Pheromone)، حشره كش‌ها، علف كش‌ها، قارچ كش‌ها، هورمونهای گیاهی و مواد آللوپاتیك (Allelopathic) از این جمله هستند. تولید انبوه و سریع این مواد پیچیده در مقیاس بالا با استفاده از روشهای شیمیایی مشكل و یا غیر ممكن میباشد. زیست فن‌آوری و از جمله كشت بافت گیاهی راه حلی مناسب و ارزان برای تولید آسان و انبوه متابولیتهای ثانویه میباشد. در بیوسنتز مواد گیاهی در شرایط "درون شیشه" اساسأ گیاهانی گزینش میشوند كه تولید متابولیتهای مطلوب در آنها بالا باشد، متعاقب انتخاب گیاه، اندام‌هایی از گیاه انتخاب میشوند كه دارای بالاترین غلظت مواد باشند. دو روش اصلی برای تولید متابولیتهای ثانویه وجود دارد: الف) رشد سریع كشت‌های سوسپانسیونی در حجم بالا و سپس تولید متابولیتهای ثانویه از آنها. ب) رشد و تكثیر سلولها، برای تولید تركیبات، طی یك دوره طولانی.
ب. بیوتكنولوژی و متابولیت های ثانویه
- بیوتکنولوژی گیاهان دارویی
برای بیشتر گیاهان دارویی تحقیقات اولیه اغلب در زمینه فیتوشیمی و كشاورزی بوده است. در بحث فیتوشیمی، گیاهان دارویی با توجه به تركیبات فعال از نظر زیستی دستهبندی میشوند كه بر اساس آنالیزهای ساختاری این تركیبات استوار است. پژوهشهای كشاورزی روی گیاهان دارویی نیز روی توسعه ظرفیت برای رشد بهینه گیاه در هنگام كشت انجام میشود. این پژوهشها بیشتر در مواقعی صورت میگیرد كه گیاه داروئی بومی برداشت میشود و شرایط برای رشد در هنگام كشت بهینه نشده است و از طرفی برداشت بیرویه گیاهان دارویی در رویشگاه های طبیعی امری نادرست بوده و موجبات كاهش تنوع زیستی و كاهش تنوع در كیفیت گیاهان داروئی شده و پیامدهای فجیعی را به دنبال دارد. مطالعه در زمینه فیزیولوژی گیاهی و پژوهشهای پایهای روی شناخت گیاهان داروئی بسیار ضروری است.
- متابولیتهای ثانویة گیاهی
متابولیتهای ثانویة گیاهی ترکیباتی هستند که توسط سلولهای گیاه تولید میشوند. گیاهان و قارچ ها حاوی مسیر های متابولیكی متنوعی هستند كه از مسیر های تولید متابولیتهای اولیه منشعب شده و منجر به تولید تركیباتی میشوند كه موجود زنده نیازی به آنها از نظر ادامه حیات ندارد. مجموعه این راه های متابولیكی حاشیهای را متاوبولیسم ثانویه می‌نامند. فراوردههایی را كه از راه های متابولیكی حاشیهای تولید میشوند، متابولیت ثانویه می‌نامند. تعدادی از متابولیتهای ثانویه وظیفه حیاتی مهمی در گیاهان ایفا مینمایند. بنابراین، این تعریف از فرآورده های راه های متابولیكی ثانویه كه فاقد وظیفه مشخص حیاتی هستند، در رابطه با همه گیاهان صادق نیست. گرچه محصولات ثانویه گیاهی در گذشته به صورت تركیبات شیمیایی تعریف میشدند كه دارای نقش بیوشیمیایی حیاتی در ساختار و حفظ سلول گیاهی نیستند، تحقیقات اخیر نشان داده كه این تركیبات دارای نقشهای حیاتی در اكوفیزیولوژی گیاهان هستند.
علیرغم پیشرفت های حاصل در علم شیمی آلی، گیاهان هنوز هم به عنوان منابع تجاری مهم برای تهیه و تامین تركیبات شیمیایی و طبیعی مورد استفاده قرار میگیرند. متابولیتهای ثانویه گیاهان دارای كاربرد های مهمی در صنایع مختلف میباشند.
متابولیت های ثانویه گستره وسیعی از ترکیبات اقتصادی نظیر استروئیدها، آلکالوئید ها، فلاونوئید ها، ساپونین ها، اسا نس ها ، رزین ها و...را در بر می گیرند. این متابولیتها کاربردهای مختلفی در صنایع گوناگون و به‌ویژه پزشکی دارند. اسانسها و مواد معطر، مواد مؤثره دارویی، فرمونها، حشره‌‌كش‌‌ها، علفكشها، قارچ‌‌كش‌‌ها، هورمونهای گیاهی و مواد آللوپاتیك (ایجاد كننده انواع مقاومت‌‌ها و یا بازدارنده رشد و نمو) از این جمله هستند. در این میان ترکیبات دارویی و اسانسها دارای اهمیت ویژه‌ای هستند.
توسعه استفاده از گیاهان داروئی در صنایع مختلف از جمله داروسازی سال ها وقت و میلیون ها دلار هزینه در بر دارد، ولی برنامه های کشف داروها و مواد با منشاء طبیعی هنوز در سراسر دنیا وجود دارندکه اصولا به دلایل زیر می باشند:
1. تنوع بالای ترکیبات شیمیائی حاصل از محصولات طبیعی هنوز در مقایسه با ترکیبات مصنوعی بالا بوده و پتانسیل این محصولات طبیعی در بسیاری موارد ناشناخته هستند.
2. تعداد زیادی از گونه های گیاهی و گونه های جلبکی هستند که هنوز بررسی نشده اند.
3. تکنولوژی و پیشرفت های مدرن در این زمینه در سال های اخیر دارای برنامه های جالبی بوده اند.
4. سیستم ها و دستگاه های جدید برای بررسی ساختار ترکیبات، زمان مورد نیاز برای مرحله اول بررسی این ترکیبات را کاهش داده اند.
گیاهان دارویی، یکی از منابع مهم تولید دارو هستند که بشر سالیان دراز، از آنها استفاده نموده است و در حال حاضر نیز نه‌تنها ارزش خود را در زمینة تولید دارو از دست نداده‌اند بلکه اهمیت آنها نیز فزونی یافته است. گیاهان دارویی به دلیل توأم بودن ماهیت طبیعی و وجود تركیبات همولوگ دارویی در آنها، با بدن سازگاری بهتری دارند و معمولاً فاقد عوارض ناخواسته داروهای شیمیایی هستند، به‌خصوص در موارد مصرف طولانی و در بیماریهای مزمن، بسیار مناسب‌تر میباشند.
- کشت سوسپانسیون سلولی
بطور عمده كشت بافت گیاهی در مطالعه روند تكوینی، تغییرات فیزیولوژیكی و تهیه تركیبات بیوشیمیایی از سلول های گیاهی به كار میرود، میتوان از این روش در جهت دستیابی به اهداف اقتصادی بهره گرفت بطوری كه با ریزازدیادی و تولید تركیبات آلكالوئیدی و یا فلاونوئیدی به وسیله سلولهای منفرد و نوع خاصی از كشت، حجم وسیعی از نیازهای انسانی را برطرف كرد.
- باززایی در شرایط آزمایشگاهی ( In-Vitro Regeneration )
تکثیر گیاهان در شرایط آزمایشگاهی، روشی بسیار مفید جهت تولید داروهای گیاهی باکیفیت است. روشهای مختلفی برای تکثیر در آزمایشگاه وجود دارد که از جملة آنها، ریزازدیادی است. ریزازدیادی فواید زیادی نسبت به روشهای سنتی تکثیر دارد. با ریزازدیادی میتوان نرخ تکثیر را بالا برد و مواد گیاهی عاری از پاتوژن تولید کرد. گزارش‌های زیادی در ارتباط با بکارگیری تکنیک " کشت بافت " جهت تکثیر گیاهان دارویی وجود دارد.
- تولید متابولیتهای ثانویه از گیاهان دارویی در شرایط آزمایشگاهی
با استفاد از کشت بافت میتوان متابولیتهای ثانویه را در شرایط آزمایشگاهی تولید نمود. لازم به‌ذکر است که متابولیتهای ثانویه، دسته‌ای از مواد شامل اسیدهای پیچیده، لاکتون‌ها، فلاونوئیدها و آنتوسیانین‌ها هستند که به‌صورت عصاره یا پودرهای گیاهی در درمان بسیاری از بیماریهای شایع به‌کار برده میشوند.
- استفاده از بیورآکتورها در تولید صنعتی متابولیتهای ثانویه
تولید متابولیت ثانویة گیاهی با خصوصیات دارویی در شرایط آزمایشگاهی، فواید زیادی در مقایسه با استخراج این ترکیبات از گیاهان، تحت شرایط طبیعی دارد. کنترل دقیق پارامترهای مختلف، سبب میشود که کیفیت مواد حاصل در طول زمان تغییر نکند. درحالی که در شرایط طبیعی مرتباٌ تحت تأثیر شرایط آب و هوایی و آفات است. تحقیقات زیادی در زمینة استفاده از کشت‌های سوسپانسیون و سلول گیاهی برای تولید متابولیتهای ثانویه صورت گرفته است. از جمله ابزارهایی که برای کشت وسیع سلولهای گیاهی به‌کار رفته‌اند، بیورآکتورها هستند. بیورآکتورها، مهمترین ابزار در تولید تجاری متابولیتهای ثانویه از طریق روشهای بیوتکنولوژیک، محسوب میشوند.
- شناسایی دقیق گیاهان دارویی
از نشانگرهای DNA میتوان برای شناسایی دقیق گونه‌های گیاهان دارویی مهم، استفاده کرد. اهمیت استفاده از این نشانگرها، به‌ویژه در مورد گونه‌ها و یا واریته‌هایی که از لحاظ مرفولوژیکی و فیتوشیمیایی به هم شبیهند، دوچندان میشود.
- اصلاح گیاهان دارویی
اگرچه کاشت گیاهان دارویی به هزاران سال پیش باز میگردد ولی باید گفت که در مورد اصلاح آنها تاکنون پیشرفت قابل ملاحظه‌ای صورت نگرفته است و در حال حاضر، تعداد کالتیوارهای مفید به‌دست آمده بر اثر اصلاح گیاهان دارویی اندک است. هدف از اصلاح گیاهان دارویی، افزایش کمیت و کیفیت آن دسته از مواد مؤثره در این گیاهان است که در صنایع دارویی از اهمیت خاصی برخوردار هستند. در سالهای اخیر توجه خاصی از جانب سازمان‌های مختلف در کشورهای جهان در ارتباط با اصلاح این گیاهان صورت گرفته است. در این رابطه، استفاده از نتایج حاصل از انگشت‌نگاری ( fingerprinting ) مولکولی گیاهان دارویی، میتواند محققین را در پیشبرد اهداف اصلاحی این گیاهان یاری نماید
ج. ژنومیكس و كاربرد آن در كشاورزی
پیدایش تكنیك PCR در اوایل دهه 80 میلادی و تكامل تدریجی آن به كمك ابداع ابزارها و وسایل نوین پیشرفته باعث گردید كه مفاهیم ژنومیكس، بیوانفورماتیك و پروتئومیكس در اواسط دهه 90 به عرصه بیولوژی مولكولی وارد شوند و بابهای جدیدی از كاربردهای بیوتكنولوژی نوین گشوده شود. مجموعه این دستاوردها موجب شد كه پایان قرن بیستم با اتمام پروژههای بررسی ژنوم چندین موجود و از جمله انسان، آرابیدوپسیس و برنج مصادف شود. وجود پروژه های تعیین توالی ژنوم تعدادی از موجودات زنده , اطلاعات بسیار زیادی را فراهم نموده اند که باعث ایجاد بخش جدیدی از مطالعات بیولوژی تحت عنوان Structural Genomics شده است. امروزه استفاده از تكنیك ها و فن آوری های جدید مانند cDNA, Real Time PCR و Oligonucleotide Microarray باعث دسترسی به اطلاعاتی در مورد چگونگی عملکرد ژن ها تحت عنوان Functional Genomics شده است. با توجه به وجود اطلاعات بسیار زیاد مربوط به ساختار و عملکرد ژن ها دربانک های اطلاعاتی, در حال حاضر این امکان میسر می باشد که نشانگرهای ساختاری و عملکردی ژنوم یك موجود زنده بر مبنای نشانگرهای ساختاری و عملکردی ژنوم سایر موجودات زنده شناسایی شوند. در سالهای اخیر تكنولوژی نشانگرهای DNA در گیاهان عالی به سمت آنچه از آن تحت عنوان نشانگرهای ملكولی مبتنی بر ترانسكریپتوم و دیگر توالیهای كد كننده نامیده می شود روكرده است. در این میان نشانگرهای عملكردی ژنوم (Genomic Functional markers) كه بر مبنای ظهور یك صفت در گیاه انتخاب می شوند در مطالعه تخمین تنوع ژنتیك، انتخاب به كمك نشانگر، بررسی ژنهای كاندیدای و همسانه سازی بر مبنای نقشه یابی، تعیین QTL ها و مطالعه فیلوژنتیكی و تاكسونومیكی مورد استفاده قرارمی گیرند. امروزه با تكمیل پروژه های ردیف یابی ژنوم در تعدادی از گیاهان, ESTs های (Expressed sequence tag sites) فراوانی برای مطالعه سایر گیاهان فراهم شده است. چنانچه یک EST با یک ژن مشخص همانندی قابل قبولی داشته باشد عملکرد بالقوه مشابهی برای آن EST در نظر گرفته میشود. پیوستگی نشانگرهای مبتنی بر EST ها با مقاومت/تحمل به تنشهای زیستی و غیر زیستی, موجب افزایش آگاهی مسیرهای بیوشیمیایی ژن های کنترل کننده مقاومت/تحمل و متراکم نمودن فاصله نشانگرهای احاطه‌کننده QTL های شناخته شده می شود. تولید نشانگرهای مبتنی بر عملکرد ژن اطلاعات دیگر نشانگرهای دی.ان.ا. مانند AFLP و SSRکه عمدتاً در نواحی غیر کد کننده قرار دارند را تکمیل نموده و نواحی کد کننده را نیز در نقشه‌های ژنتیک آشکار می‌کند. تكنولوژی ریز آرایه (Micoarray) امكان بررسی هم زمان هزاران EST را فراهم می سازد. بنابراین با گسترش اطلاعات EST ها در بانک های اطلاعات و استفاده همزمان از تکنولوژی ریزآرایه و تجزیه QTL امکان شناسایی و جداسازی ژن های کاندیدای مقاومت/تحمل به تنشهای زیستی و غیر زیستی میسر می شود. در حال حاضر نشانگرهای مولكولی ساختاری و عملکردی یك وسیله و ابزار مفید و دقیق میباشند كه روشهای مبتنی بر استفاده از آنها به عنوان مكمل روشهای سنتی و كلاسیك در سرعت بخشیدن به برنامه های بهنژادی، افزایش دقت و صرفه جویی در نیروی كار و هزینه ها نقش چشمگیری دارند.
گزینش به کمک نشانگرهای مولکولی
امروزه ردیابی صفات مطلوب و گزینش به کمک نشانگرهای مولکولی یا MAS (Markers Assisted Selection) از طریق تعیین پیوستگی (لینكاژ) آنها با صفات مهم زراعی (كمی و كیفی) امكانپذیر شده است. این موضوع، امكان گزینش سریع و دقیق ژنوتیپهای مطلوب را در مراحل اولیه رشد فراهم كرده و طول دوره بهنژادی را كوتاه مینماید. این مقوله به خصوص طی سالهای اخیر به شدت مورد توجه قرار گرفته است و موفقیتهای زیادی از قبیل تشخیص گیاهان مقاوم به یك آفت یا بیماری كه در برنامه های بهنژادی و اجرای مقررات قرنطینه نباتی اهمیت دارند، بدست آمده است. این جنبه كاربردی در گیاهان چندساله و به خصوص درختان كه اغلب طول دوره جوانی در آنها زیاد میباشد، اهمیت بیشتری دارد و باعث افزایش دقت و صرفه جویی در زمان، نیروی كار، هزینه ها و امكانات مزرعه ای میشود. شناسه های مولكولی (Molecular tags) برای بسیاری از صفات در گیاهان زراعی توسط انواع مختلف نشانگرهای مولكولی تهیه شده است. مثالهایی از پیوستگی نشانگرهای مولكولی بیوشیمیایی و دی-ان-آ برای برخی از صفات مهم در گیاهان مختلف از قبیل گوجه فرنگی، گندم، ذرت، جو، سویا، نخودفرنگی و برنج كه در انتخاب به كمك نشانگرها (MAS) قابل استفاده هستند وجود دارند. انتخاب به كمك نشانگرها به خصوص برای شناسایی صفات كمی و مقاومت گیاهان به آفات و بیماریها سودمند میباشد. اگرچه روشهای مرسوم (سنتی) برای ارزیابی مقاومت به آفات و بیماریها توانسته اند نتایج بسیار خوبی ارائه دهند ولی اغلب به هزینه و زمان زیاد نیاز دارند.
مكان یابی / نشانمند كردن ژن های كنترل كننده در صفات پلی ژنیك
پس از ابداع نشانگرهای ملكولی و كاربرد آنها در اصلاح صفات كمی، اصطلاح جدیدی بنام QTL یعنی مكانهای ژنی كنترل كننده صفات كمی جایگزین اصطلاح پلی‌ژن گردید. QTL ها به نواحی كروموزومی كنترل كننده صفات كمی اطلاق میشود كه ممكن است شامل یك ژن یا گروهی از ژنها با پیوستگی ضعیف یا پیوستگی شدید باشند. برخلاف نظریه پلی‌ژنتیك, QTL ها می‌توانند كوچك یا بزرگ اثر بوده و امكان برآورد سهم اثر QTL تنها در تغییرات فنوتیپی كل صفت وجود دارد. مكان‌یابی ژنها با استفاده از نشانگرهای مولكولی بر پایه فرض وجود عدم تعادل پیوستگی بین آللهای مكانهای ژنی نشانگر و آللهای QTLهای پیوسته به این نشانگرها استوار است. عدم تعادل پیوستگی را میتوان بصورت پیوستگی غیرتصادفی آللهای مكانهای ژنی مختلف در یك جمعیت تعریف كرد كه علاوه بر پیوستگی فیزیكی بین مكانهای ژنی ممكن است توسط عوامل مختلفی مانند جهش، گزینش و رانده‌شدگی ژنتیكی نیز بوجود آید. در جمعیت های مصنوعی تقریبا تمام عدم تعادل از پیوستگی ژن ها میباشد. بنابراین كارایی این جمعیت ها در برنامه های مكان یابی ژن ها بیشتر از جمعیتهای طبیعی است. در مكان‌یابی ژن های كنترل كننده صفات كمی با استفاده از نشانگرهای مولکولی نیاز به 1) جمعیت های در حال تفکیک, 2) نقشه‌های ژنتیکی (پیوستگی) و 3) روشهای آماری تجزیه QTL جهت تعیین رابطه داده‌های ژنوتیپی و فنوتیپی می باشد.
مكان یابی/ نشانمند كردن ژنهای كنترل كننده صفات یك یا دو ژنی
با توجه به اینكه در مورد صفاتی با كنترل تك یا دو ژنی فنوتیپ به مقدار زیاد نشان دهنده ژنوتیپ است، از روش BSA جهت شناسایی نشانگرهای ملكولی پیوسته با ژنهای مقاومت استفاده می شود. گام اول در BSA, ارزیابی فنوتیپی جمعیت در حال تفرق (بعنوان مثال F2) و انتخاب حدود 15-10 فرد از دو انتهای توزیع فنوتیپی صفت برای ارزیابی های ژنوتیپی است. بدین ترتیب كه دی. ان. ا. بالك از هر گروه (گروه مقاوم و حساس) تهیه و برای بررسی با استفاده از نشانگر مورد استفاده قرار می گیرند. در صورتیكه الگوی تفرق نشانگری در دو توده با الگوی تفرق بیماری یكسان باشد، آن نشانگر دارای پیوستگی با ژن كنترل کننده بیماری می باشد. در BSA آزمون نسبت ها بر اساس آزمون X2 انجام می گیرد. استفاده از لاین های ایزوژن حاصل از تلاقی والدین مقاوم و حساس نیز برای مكان یابی ژن كنترل كننده بیماریهای تك ژنی استفاده می شود.
د. فیزیولوژی گیاهی در كشاورزی
مطالعه اعمال و وظایف موجود زنده, اندامها, بافت ها, اندامكها, سلولها و ملكولها در درون موجودات زنده را فیزیولوژی میگویند. فرآیندهای فیزیولوژیك پویا بوده و سلولهای موجود زنده در پاسخ به محیطی كه در آن قرار دارند, از خود واكنش نشان داده و تغییر رفتار می دهند. هدف بسیاری از این واكنشها حفاظت و ایجاد ثبات محیطهای شیمیایی و فیزیكی درونی موجود زنده می باشد.
مطالعه وظیفه, كار و ماموریت هر عنصر حیاتی, متاثر از ساختار و آناتومی آن عنصر است و این دو به طرز تفكیك ناپذیری متاثر از هم می باشند. بعد از كشف ساختار سلولی بافتها, دانش فیزیولوژی توسعه سریعی یافت و نقش حیاتی سلولها, بافتها و اندامها مشخص شد.
فیزیولوژی گیاهی شاخه ای از علوم گیاهی است كه هدف كلی آن درك چگونگی حیات و نحوه عمل گیاهان است. هدف كلی این علم, کشف قوانینی است که بر تغذیه و رشد و نمو گیاه نظارت دارد، شناخت توانایی واقعی سلولها در انجام فعالیتهای بیولوژیک و همچنین اعمال روشهایی که ظهور یکی از تواناییهای سلولی را امکان‌پذیر می‌سازد. فیزیولوژی گیاهی علاقمند به دانستن و روشن سازی تمام مبانی حیاتی گیاه است. با توجه به مشخصات كلی گیاه, جنبه های حیاتی آن به سه دسته كلی تقسیم می شوند كه عبارتند از:
1. فیزیولوژی تغذیه و سوخت و ساز كه به جذب, تبدیل و پخش مواد, بین و درون سلولهای گیاه مرتبط است.
2. فیزیولوژی رشد, نمو و تولید مثل .
3. فیزیولوژی محیطی(Environmental physiology) كه در جستجوی دانستن چگونگی واكنش چند گانه گیاه به محیط اطراف خود است. قسمتی از علم فیزیولوژی محیطی كه با اثرات و سازگاری گیاه به شرایط نامساعد مرتبط است, فیزیولوژی تنش ها (Stress physiology)است.
تحقیقات فیزیولوژی گیاهی در سطوح مختلف حیاتی گیاه و به روشهای مختلف انجام می گردد. سطوح اصلی عبارتند از: سطح مولكولی, سلولی, موجود زنده (گیاه كامل) و جامعه گیاهی.
هدف تحقیقات در سطوح ملكولی دانستن فرآیندهای متابولیكی و تنظیمات آنها, و مكان یابی ملكولهای ویژه در ساختارهای خاص سلولی است. تحقیق در سطح سلولی اغلب با فرآیند های مشابه سطح ملكولی سرو كار دارد با این تفاوت كه به سلول به صورت یكپارچه توجه می شود . مطالعاتی كه در سطح موجود زنده (گیاه كامل) انجام می شود به عمل گیاه بطور یكپارچه توجه دارد. تحقیق در سطح جامه گیاهی, كه ارتباط تنگاتنگی با علم اكولوژی عملی (Experimental ecology) دارد, به بررسی پدیده هایی از فیزیولوژیكی گیاهی كه ممكن است با گونه غالب (مانند مزرعه ذرت) یا تعداد بیشماری گونه متفاوت (مانند جنگل) ارتباط داشته باشد, می پردازد.
مطالعه در سطح موجود زند, و با مقداری تعمیم در سطح جامعه, زمانی كه عوامل محیطی مانند نور, دما, آب و مواد غذایی زمانی قابل كنترل باشد, امكان پذیر خواهد بود. در این علم فرآینده ای اساسی مانند فتوسنتز, تنفس, تغذیه گیاهی, نقش هورمونهای گیاهی, سو گرایی (Tropism) , تحركات القایی (nastic movements), فتوپریودیسم, فتوموفوژنز, ریتمهای سیركادین, فیزیولوژی تنشهای محیطی, جوانه زنی بذر, خواب بذر, فعالیت سلولهای روزنه و تعرق ( هر دو قسمتهای از روابط آبی هستند) توسط فیزیولوژیستها مطالعه میشوند.
در سالهای اخیر با توجه به گسترده تر شدن حجم دانش, علم فیزیولوژی ملكولی خود به شاخه های جدیدی تقسیم شده است كه عمدتاً با پسوند آم(ome) و اٌمیكس(Omics) ختم می شوند. كلمات Ome و Omics از مشتقات پسوند] [–ome هستند كه با نام بسیاری از كلمات بیولوژیكی موجود پیوست شده تا نامهای جدیدی برای موضوعات تازه انتضاعی (ذهنی) یا مفاهیم عینی (محسوس) برای متون مختلف پدید آید. بعضی از اٌمیكس ها بخوبی پایه گذاری شده اند در حالیكه بسیاری دیگر در حال شكلگیری و پایه ریزی می باشند. مجامع علمی دنیا این كلمات را با توجه با اینكه چگونه در متون علمی از آنها استفاده شود, بسرعت پذیرفته و ترد مینمایند.
متابولومیكس (Metabolomics)
متابولومیكس یا آنالیز تمامی متابولیتهای سلولی, ابزاری جدید و قدرتمند برای ورود بیشتر به درون عرصه دانش بیولوژی مولكولی است. این شاخه از علوم بیولوژیك, به طور همزمان امكان نگرش سریع به تعداد زیادی از مولكولهای كوچك در درون سلول یا یك سیال زیستی را فراهم آورده, و تغییرات این مولكول ها را در شرایط مختلف نشان می دهد . بنابراین این دانش مكمل مهم و انكار ناپذیر مطالعات ژنومیكس و پروتئومیكس می باشد. نمایه متابولیكی یا Metabolic profiling نوعی از مطالعه است كه در زمینه سمیت و كارایی داروها در موجودات زنده مانند انسان و گیاه انجام می شود.
متابولوم (Metabolome) عبارت از مجموعه كامل متابولیتهای كوچك مولكول (مانند متابولیتهای حد واسط, هورمونها و سایر مولكولهای انتقال پیام, و متابولیتهای ثانویه) است كه در درون یك نمونه بیولوژیك یافت میشوند. متابولوم به مجموعه متابولیت های موجود در ارگانیزمهای بیولوژیكی اطلاق شده كه محصول نهایی تظاهر ژنها میباشند. اطلاعات حاصله از mRNA در زمان تظاهر ژن ها و تجزیه و تحلیل های پروتئومیكسی تمامی داستان آنچه كه در سلول اتفاق می افتد را بیان نمی كند, ولی نمایه متابولیكی, قادر است حجم زیادی از اطلاعات را به طور آنی از فیزیولوژی سلول ارائه دهد. یكی از چالشهای سیستم بیولوژی اختلاط اطلاعات پروتئومیكس, ترانس كریپتو میكس و متابولومیكس جهت ارائه شمای كلی از آنچه كه در سلول میگذرد, می باشد. این واژه متناسب با ترانس كریپتومیكس و پروتئومیكس ابداع شده است و همانند ترانسكریپتوم و پروتئوم, متابولوم دینامیك بوده و لحظه به لحظه تغییر می كند. هرچند كه متابولوم به سرعت قابل ردیابی و شناسایی است, اما در حال حاضر تجزیه و تحلیل و شناسایی تمامی متابولیتهای موجود در یك نمونه بیولوژیك با یك روش تجزیه متابولومیكسی غیر ممكن است و مطالعات سیستماتیك برای ردیابی (انگشت نگاری متابولیكی) یك متابولیت خاص در روند فعالیت بیولوژیكی سلول الزامی است. این امر زمانی جدیتر میشود كه مطالعه از نوع" نمایه متابولیكی یا Metabolic profiling " باشد.
واژه متابولومیكس در دهه 90 اختراع شد. در سال 2004 انجمنی به منظور توسعه این علم تشكیل شد. بسیار از روشهای تجزیه بیولوژیكی مورد استفاده در متابولومیكس, قبلاً از تكنیكهای بیوشیمیایی استخراج و برای مطالعات گیاهی و جانوری سازگار شدهاند.
- كابردهای كلیدی متابولومیكس
- سم شناسیToxicity) (http://en.wikipedia.org/wiki/Toxicity) assessment/Toxicology (http://en.wikipedia.org/wiki/Toxicology) (: ازنمایه متابولیكی می توان برای شناسایی تغییرات فیزیولوژیكی موجود زنده پس از قرار گرفتن در معرض سم, استفاده نمود.
- ژنومیكس كاربردی (Functional genomics) : متابولومیكس می تواند یك بهترین ابزار ها برای شناسایی فنوتیپهایی باشد كه دستورزی ژنتیكی شدهاند, باشد. گاهی این امر خود میتواند هدف اصلی یك تحقیق باشد. بطور مثال, شناسایی تغییرات فنوتیپی در گیاهانی كه برای مقاصد تغذیهای انسان یا دام دست ورزی ژنتیكی شده اند. جالبترین جنبه این مطالعات می تواند پیش بینی عمل و وظیفه ژنهای ناشناخته, بوسیله مقایسه اختلالات ایجاد شده در متابولیتها پس از حذف یا اضافه شدن یك ژن, باشد.
امروزه با توجه به گسترش سریع دانش متابولومیكس شاخه های جدیدی از علم این منشعب شده است كه برای مثال می توان به دو علمی Glycomins یا Glicobiology و Lipidomics اشاره كرد.
- گلایكو میكس یا گلایكو بیولوژی (or Glicobiology (Glycomins
گلایكومیكس بخشی از علم بیولوژی است كه ساختمان وعمل اٌلیگوساكارید ها (زنجیره قند ها) را بررسی می كند. واژه گلایكو میكس از پیشوند یونانی" گلایكو" به معنایی چیز شیرین یا شكر و اٌمیكس كه پسوند نشان دهنده شاخه ای از علو بیولوژیك است, ساخته شد است. این شاخه از مطالعات بیولوژیك, درگیر مجموعه ای از عوامل ذاتاً پیچیده است كه در هیچ شاخهایی از علوم بیولوژی دیده نمیشود. بطور مثال, ساختمان ژنها از 4 بلوك اصلی تشكیل شده و تعداد این بلوكها در پروتئین ها به20 عدد میرسد, در حالیكه ساكاریدها, تعداد كثیری بلوك ساختمانی مختلف هستند. سرعت پیشرفت در گلایكو میكس با بهبود دستگاه های شناسایی توالی و علم بیوافورماتیكس شتاب بیشتری یافته است. این شاخه از علم بیولوژی, كاربرد بسیاری در تولید دارو و درمان بیماریها دارد.
پس از پایه ریزی و قبول مفاهیم ژنومیكس و پروتئومیكس, شواهد نشان میدهد كه شاخه دیگری از علوم, از دانش متابولومیكس منشعب شده كه با تكیه بر اساس مفاهیم ملكولی, فنوتیپ سلولی را تشریح میكند؛ رشته ای از علم كه نشان میدهد, چگونه طیف گستردهای از پلی ساكاریدها با دامنه وسیعی از پروتئینها ارتباط داشته و نحوه تاثیر آنها بر فنوتیپ سلولها, اثر متقابل سلول بر سلول, و سلول بر اندام چگونه است. این دانش در سالهای انتهایی قرن 20 میلادی پا گرفته و ارتباط تنگاتنگی با ژنومیكس پروتئومیكس دارد. مطالعه گلایكانها از مطالعه سیستمهای پیچیده و عالی زنده و یا توده های سلولی, تفكیك ناپذیر است؛ زیرا تمامی موجودات زنده از سلولهای مختلفی خود كه توسط انواع مختلف و ناهمسانی از كربوهیدارتها احاطه شده اند, تشكیل شده اند. اگرچه تحقیق بر روی گلایكانها بخاطر ضعف فناوریهای موجود در مقایسه با آنچه كه در خصوص DNA و پروتئین وجود دارد, بی نهایت مشكل است, با این حال روشهای نوینی نیز دراین عرصه پا به میدان گذاشته كه نمونهای از آن بیو-چیپ كه خود یك اٌلیگوساكارید اری (oligosaccharide arrays) یا گلایكو-چیپ (glyco-chips) است, می باشد.
لیپیدومیكس (Lipidomics)
لیپیدومكیس مطالعه بزرگ-مقیاس متابولیتهای غیر محلول در آب (لیپیدها) است. به عبارت دیگر این علم, شاخهای از دانش متابولومیكس است كه لیپید ها را شناسایی, طبقه بندی و نمایه سازی مینماید. لیپیدومیكس نیازمند به نمایه سازی گروه كثیری از متابولیتها است. تاكنون بهترین روش اندازه گیری لیپیدها همان اسپكترومتری تودهای است. ارتباط بین یافتههای این دانش با یافتهها و دانستههای فیزولوژیك, نقش تعیین كنندهای در شناخت وظایف و عمل یك نوع یا گروه خاصی از لیپیدها, ویا پروتئینهای متابولیز كننده لیپیدها ایفا كرده و در شناسایی ژنهای مرتبطه كمك شایانی مینماید.
این شاخه از علم پس از پیشرفت فناوری در زمینه MS خصوصاً ESI/MS یا Electrospray ionization mass spectrometry توسعه سریعی یافته است. در لیپیدوم سلولی بیش از 1000 نوع مختلف لیپید (بوك ساختمانی) شناسایی شده كه عمدتاً دارای یك سر قطبی و یك دم آبگریز هستند. با این حال سلولها, لیپیدها را بطور دقیق, عالی و اختصاصی شناسایی كرده و از هم تمیز میدهند. وضعیت عملكردی لیپیدها توسط میزان تجمع موضعی شان در اندامكها, تجمع بین دولایه لیپیدی و حتی تجمع در سطح جانبی غشاء ها تعیین میگردد.
- هورمونهای گیاهی (Plant hormones)
v گروه دیگری از متابولیتها كه نقش اساسی و تعیین كننده در رشد و نمو موجودات زنده بازی می كند, هورمونها هستند. واژه هورمون ریشه یونانی داشته و به معنی به حركت درآمدن میباشد. هورمونها عبارتند از پیك های شیمیایی یك سلول (یا گروهی از سلولها) به سلول(های) دیگر. تمامی موجودات پر سلولی هورمون تولید میكنند. هورمونهای گیاهی (یا تنظیم كننده های رشد گیاهی) مواد شیمیایی مترشح درون گیاهی هستند كه به منظور تنظیم رشد گیاه مورد استفاده قرار میگیرند. بر اساس تعریف استاندارد, هورمونهای گیاهی مولكولهای پیام رسان هستند كه در یك مكان خاص در غلظت بسیار كم تولید شده و سبب بروز فرآیندهای مختلف در سلولهای هدف سایر قسمتها میشود.
هورمونها به پنج گروه اصلی تقسیم میشوند كه عبارتند از auxin (http://en.wikipedia.org/wiki/Auxin) ها, cytokinin (http://en.wikipedia.org/wiki/Cytokinin) ها, ethylene (http://en.wikipedia.org/wiki/Ethylene) ، gibberellin (http://en.wikipedia.org/wiki/Gibberellin) ها و abscisic acid (http://en.wikipedia.org/wiki/Abscisic_acid) (ABA) . به هرحال مطالعه رفتار فیزولوژیك گیاهان در شرایط مختلف رشدی بدون توجه به نوع پیامهای ارتباطی بین سلولها, پیشرفت محسوس نداشته و دلایل بروز تغییر در سلولها همواره ناشناخته خواهند مانند. بنابراین پرداختن به این بخش از دانش فیزولوژی امری اجتناب ناپذیر است.
- آنزیم شناسی (Enzymology)
باید به این نكته اشاره داشت كه تمامی متابولیتهای موجود در موجودات زنده چه تك سلولی و چه پر سلولی تنها درحضور آنزیمها تولید میشوند . بنابر این هرگونه مطالعه در زمینه متابولیتها بدون توجه به آنزیمها و نحوه عمل آنها در شرایط مختلف پیشرفت چندانی نخواهد داشت. آنزیم شناسی بستر اصول پایه و رئوس مطالب جدید دانش آنزیمها است كه اخیراً بسرعت در حال توسعه و پیشرفت سریع میباشد. آنزیم شناسی دانشی است كه تمامی جنبه های مربوط به آنزیمها شامل پراكنش, تولید, طبقهبندی, ساختمان, كارایی, سازوكار عمل و كاربردهای مختلف آن را بررسی میكند.
آنچه كه گفته شد نشان میدهد كه تمامی مطالعات ژنومیكسی, ترانس كریپتو میكسی , پروتئومیكسی, متابولومیكسی (شامل, گلایكو میكس و لیپیدومیكس), هورمون شناسی و آنزیم شناسی, شاخه هایی از علم فیزیولوژی مولكولی می باشند. برقراری ارتباط بین یافته ها و داده های چنین شاخه های از علم كار بسیار پیچیده و مشكلی است كه تخصص خاص خود را می طلبد. جمع بندی داده ها و استنتاج كلی از نتایج در شاخه جدیدی از علم به نام System Biology انجام می شود.
بنابراین در راستای پیشرفت كمی و كیفی پژوهشكده پیشنهاد می گردد كه در برنامه راهبردی, بخش فیزولوژی به سمت تحقیقات متابولومیكس گرایش یافته و بخش بیولوژی سیستمها راه اندازی شود. بدیهی لازمه این امر تجهیز بخش فیزولوژی به فناوری اسپكترومتری توده ای اعمم از GC/MS/MS , HPLC/MS/MS و سیستمهای تكمیلی, ESI/MS/MS و نهایتاً NMR می باشد.
ه. پروتئومیكس و كاربردهای آن در كشاورزی
در سال های اخیر با كمك ابزار های مولكولی امكان پژوهش در سطح سلولی و مولكولی برای فهم مكانیزم ها و روابط بین عوامل مختلف دخیل در آنها مهیا شده است. علاوه بر بررسی های ژنومیك كه عمدتا روی اسید نوكلئیك صورت می گیرد مطالعه در سطح پروتئین برای شناسایی پروتئین های دخیل در فرایند های نموی و مكانیزم های تدافعی در برابر عوامل تنش زای محیطی نیز قابل توجه است.
در سال 1996 ، گروهی از پژوهشگران عبارت پروتئوم (proteome) را برای پروتئینهای بیان شده توسط ژنوم بكار بردند. كه اشاره به كل پروتئینهای بیان شده در یك سلول، بافت، یا جاندار دارد. مطالعه پروتئوم و تغییرات آن در محیط و در طی فرایند رشد و نمو را پروتئومیكس می‌نامند که امروزه جایگاه خاصی یافته است چرا كه این پروتئین بیان شده توسط ژن است كه در نهایت مسئول تمام فرایندهای سلول است و پیش بینی ساختار، عمل و فراوانی آن از روی اطلاعات ژنوم یا ترانسكریپتوم دقت كافی را ندارد. از طرفی بسیاری از فعالیتهای سلول در نتیجه اثر متقابل پروتئین و پاسخ آنها به علایم داخلی و خارجی و یا تغییرات پس از ترجمه ناشی میشوند كه مطالعه آنها تنها در سطح پروتئینها امكان پذیر است.
- پروتئوم گیاهان تحت تنش های شوری و خشكی
در ایران اراضی تحت تاثیر شوری در حدود 15% تخمین زده می شود (24500 كیلومتر مربع) كه بیشتر آنها در مناطق خشك و نیمه خشك كشور قرار دارد. بنا بر گزارش FAO، در سال 2001-2000 خشکی بر روی حدود 35 میلیون نفر در ایران اثر گذاشته است.مقابله با این تنش ها مستلزم بکارگیری راهکارهای مختلفی از جمله بهبود زیر ساخت های، استفاده بهینه از منابع آب و خاک و اصلاح نبات نام برد. در این میان اصلاح گیاهان برای افزایش مقاوت تنشها یكی از موثرترین روشهای مقابله می باشد. با این وجود، روشهای اصلاحی سنتی برای رسیدن به این هدف با مشكلات بسیاری روبرو بوده و روند آن كند میباشد كه بخش عمده آن به پیچیدگی مکانیسم های مقاومت و تعداد بسیار زیاد ژنهای دخیل در آن برمی‌گردد. اگر چه انتخاب بر اساس صفات مرفولوژیك و فیزیولوژیك از اهمیت بسیار بالایی برخوردار است اما در مورد صفات پیچیده‌ای همچون مقاومت به شوری و خشکی، نیاز به استفاده از ماركرهای مولكولی برای غلبه بر پیچیدگی مكانیسمهای مربوطه الزامی میباشد. امروزه تلاش زیادی به نقشه یابی جایگاهای كنترل‌كننده صفات كمی یا QTL(Quantitative Trait Loci) در جریان است تا بتوان با استفاده از آنها در انتخاب به كمك ماركرها یا MAS (Marker Assisted selection) كارآیی و سرعت انتخاب را بالا برد. راهكار QTL، علیرغم چشم‌اندازهای روشن و كاربردهای آن، خود دچار محدودیت‌هایی است كه از آن جمله میتوان به كوچك بودن اثرات QTLها و genetic drift ناشی از فاصله ماركر با ژن اشاره نمود. بخش عمده‌ای از این محدودیت ها به عدم شناخت ما از ژنهای دخیل در پاسخ گیاهان به تنش برمی‌گردد. عرصه‌های جدید پروتئومیكس (proteomics) با قابلیت ایجاد حجم بسیار زیاد اطلاعات، در تركیب با روشهای نوین ژنومیكس و بیوانفورماتیك، امكان شناسایی مكانیسمها و ژنهای دخیل در پاسخ این گیاهان به تنشها را فراهم می‌سازد.
توان بالای در تفكیك پروتئینها این امكان را فراهم می‌سازد كه انواع تغییرات كیفی (بودن یا نبودن و یا تغییر مكان) و كمی (افزایش یا كاهش بیان) پروتئین در شرایط تنش و بدون تنش و در گیاه مقاوم و حساس مطالعه شود. تركیب این الگوی بیانی با داده‌های MS اطلاعات بسیار با ارزشی از مكانیسمهای دخیل در پاسخ گیاه به تنش را فراهم می‌سازد. اثر تنش شوری بر روی پروتئوم برگ و ریشه برنج مقاوم و حساس به شوری مطالعه شده است. اثر تنش خشكی و بازیافت پس از تنش نیز در دو رقم برنج CT9993 (برنج upland با ریشه‌های عمیق) و IR62266 (برنج lowland با ریشه‌های كم عمق) و چغندرقند با استفاده ازالكتروفورز دوبعدی نیز مورد بررسی قرار گرفته است. اجزاء عملکرد یعنی تعداد خوشه در واحد سطح تعداد دانه در هر خوشه و وزن متوسط هر دانه در این مراحل تحت تأ ثیر قرار می گیرند. تنشهای محیطی در مرحله زایشی یكی از عوامل اصلی كاهش عملكرد در گیاهان است. اگرچه منابع نسبتا زیادی در ارتباط با بررسی پروتئوم گیاهان تحت تنشهای غیرزنده وجود دارند، منابع بسیار اندکی بر روی شناسائی پروتئوم گیاهان در مرحله زایشی وجود دارند
انواع پروتئین های و مکانیسم های پاسخ دهنده به خشکی و شوری شناسایی شده اند (جدول 7). اکثر پروتئین های شناسایی شده در این مطالعات در سم زدایی رادیکالهای اکسیژن، سنتز پروتئین، متابولیسم، سیگنال ترانسداکشن، کنترل بیان و ترجمه نقش دارند.
مسیر شناسایی ژن تا اصلاح نباتات مولکولی را می توان به سه مرحله تقسیم نمود: شناسایی ، تایید (Validation)و استفاده در اصلاح نباتات. همانگونه که در این مقاله بحث شد، پروتئومیکس می تواند ابزاری قوی برای شناسایی ژنهای کاندیدا مقاومت به تنش باشد. مطالعات ما و سایر محققان نشان می دهد که بخشی از این ژنهای کاندیدا در میان گیاهان مختلف مشابه هستند. در صورت اثبات ارتباط این ژنها با مقاومت می توان راهبرد مشترکی را برای اصلاح این گیاهان در نظر گرفت. گروه دیگری از ژنها اختصاص به گیاه و یا تنش خاص دارند، در صورت اثبات ارتباط این ژنها با مقاومت می توان از آنها برای هرم سازی ژنی (gene pyramiding) برای افزایش مقاومت به تنش استفاده نمود.
تایید ژنهای کاندیدا مقاومت از مهم ترین مراحل مسیر شناسایی ژن تا اصلاح نباتات مولکولی می باشد. راهکارهای مختلفی می توانند در این مرحله به کار گرفته شوند که از آن میان می توان به آزمون ژنهای کاندید در جمعیت های در حال تفرق، دستکاری ژنی و مطالعه جهش یافته ها نام برد. هم اکنون، موسسه تحقیقات بیوتکنولوژی کشاورزی با همکاری سایر موسسات در حال توسعه جمعیت های در حال تفرق برای برخی از گیاهان مهم می باشد مه پس از ارزیابی والدین، نتاج آنها نیز آنالیز بیان شوند. همچنین راهکار انتقال ژن برای تایید بطور جدی در حال بررسی و پیگیری می باشد. راهکار مقایسه پروتئوم نیز می تواند در این مرحله مفید باشد زیرا بر طبق گستردگی و نحوه بیان ژنهای کاندید، می توان لیست تهیه شده برای تایید را تا حد ممکن کوچکتر نموده و بدین ترتیب در وقت و هزینه بالای مرحله تاییأ صرفه جویی نمود.
در انتها امید است که پس از طی مراحا فوق بتوان ژنهایی را برای بکار گیری در اصلاح نباتات مولکولی از طرق MAS و انتقال ژن معرفی نمود.((دانلود http://scbio.ir/image/image_gallery?img_id=23200 (http://scbio.ir/c/document_library/get_file?folderId=23203&name=DLFE-403.pdf)))