کاربرد بیوتکنولوژی در فضای سبز

مقدمه

بیوتکنولوژی یا زیست فن آوری، از ویروس های تغییر یافته ژنتیکی گرفته تا بیوسنسورهای زیست محیطی ،امکانات جدیدی را برای دستیابی و مدیریت منابع طبیعی فراهم نموده است.از جمله این نوآوری ها ظهور شاخه بیوتکنولوژی فضای سبز می باشد که بسیار متفاوت از کاربردهای رایج محصولاتGM در کشاورزی بوده و تغییرات چشمگیری را در خصوص ارتباط انسان با فضای سبز موجب گردیده است.سؤالات پیش روی انسان در این خصوص این است که آیا بدین وسیله می توان نسخه جدیدی از یک روش قدیمی را برای آمایش زمین از جمله فضاهای سبز با تنوع زیستی قابل ملاحظه مورد توجه قرار داد؟این تکنولوژی به کجا می تواند ما را سوق دهد،و این که آیا این مسیر درست یا نادرست است؟چگونه یک جامعه می تواند از مناقشات مخرب و انتخاب نادرست تکنولوژی های گذشته جلوگیری کرده و تصمیمات خردمندانه و عاقلانه مبتنی بر دموکراسی را در خصوص جهت دهی فعالیت های R&D ملت خود اتخاذ نماید؟

کشت بافت و ریز ازدیادی

امروزه تکنیک های مختلف کشت بافت به ویژه برای تکثیر و ازدیاد گیاهان مختلف از جمله گیاهان مورد استفاده در فضای سبز کاربرد گسترده ای دارند.از مزایای این شیوه برای ازدیاد گیاهان،تولید انبوه و عاری از بیماری و آفت گیاهان حاصل در مدت زمان نسبتا کمتر در مقایسه با روش های رایج می باشد.از کاربردهای تکنیک های کشت بافت از جمله کشت های جنین زا به این موارد می توان اشاره نمود:

الف-انتقال ژن:کشت های جنین زا امروزه به طور روز افزونی به عنوان منبعی از مواد گیاهی برای تولید گیاهان تراریخته مورد استفاده می باشند.چرا که کشت های جنین زا در مقایسه به سایر سیستم های کشت دارای مزایای قابل توجهی به منظور مورد استفاده قرار گرفتن به عنوان مواد هدف برای تراریختگی بوسیله آگروباکتریوم و یا تکنیک بایولیستیک می باشند.اولین نمونه برای چنین هدفی وارد نمودن ژن های کنرتل کننده رنگ گل در گیاه رز و داودی بود.

ب- کشت پروتوپلاست:پروتوپلاست های جدا شده از سلولها یا بافت هایی که خود دارای قابلیت باززایی می باشند با احتمال بیشتری مستعد تشکیل گیاهان کامل خواهند بود.همچنین از پتانسیل های دیگر پروتوپلاست های حاصل از کشت های جنین زا استفاده از آنها در هیبریداسیون سوماتیکی یا سیبریداسیون می باشد.این پتانسیل برای گیاه رز بکار برده شده است.

ج-بذر مصنوعی:کپسوله کردن جنین های سوماتیکی با استفاده از هیدروژل های آلژینات کلسیم می تواند با ایجاد بذر مصنوعی موجب صرفه جویی در زمان و نیروی انسانی از طریق حذف مراحل جوانه زنی و نمودار گیاهچه در آزمایشگاه و نیز سازگاری گیاهچه ها گردد.این تکنیک برای شمعدانی مورد استفاده قرار گرفته است.

د-تنوع سوماکلونال:این تنوع بویژه در مورد گیاهان تزیینی از لحاظ رنگ گل،ابلق بودن،پا کوتاهی و غیره می تواند بسیار مورد توجه قرار گیرد.البته بایستی به این نکته اشاره نمود که گیاهان باززایی شده از طریق جنین زایی رویشی نسبت به گیاهان حاصل از اندام زایی،تنوع سوماکلونال کمتری از خود نشان می دهند.با وجود این تعدادی از واریانت های رز از جنین های رویشی حاصل گردیده اند.

ه-اندام زایی شاخساره نابجا:عبارتست از تولید شاخساره نابجا بر روی ریز نمونه های مختلف که بطور گسترده در باغبانی و جنگل داری به منظور تولید گیاهان زینتی و درختان مورد استفاده برای صنایع چوب بکار می رود.از جمله گیاهان مورد بررسی در این زمینه می توان به توس(Betula )زبان گنجشک(Fraxinus )،عنبرالسائل (Liquidambar ).انواع کاج(Pinus )،صنوبر(Populas )،اقاقیا ( Robinia )،بلوط (Quercus )،رز(Rosa )،تویا(Tuja )، نارون(Sapium )،(Ulmus )و...اشاره نمود.

باززایی اقاقیا(Robinia )از کالوس و پراوری شاخسارهای نابجا مثال دیگری از بکار گیری تکنیک های کشت بافت در این زمینه می باشد.

نشانگر های مولکولی

نشانگرهای مولکولی ابزار قدرتمند و قابل اطمینانی را برای شناسایی موجودات زنده مختلف چه انسان،حیوان، گیاه و یا میکروب را در اختیار قرار می دهند.از مزایای نشانگرهای مولکولی می توان به موارد ذیل اشاره نمود:

1-            قابل شناسایی بودن در تمامی بافت ها و در تمامی مراحل رشد و نمو گیاهی(تمامی دوره سنی گیاه)که امکان شناسایی ژنوتیپ مورد نظر را در مراحل اولیه رشد فراهم می نماید.

2-            دارای ثبات در تمامی مراحل نمو گیاهی و تاثیر نگرفتن از محیط

3-            نامحدود بودن تعداد این نشانگرها

4-            بررسی روابط ژنتیکی

اساس کار نشانگرهای مولکولی و عملکرد آنها در ژنوم گیاه نهفته است.از آنجایی که ژنوم هر موجود و گیاه دارای توالی بازی منحصر به فرد و متفاوت حتی با شخص دیگری از همان گونه است.این پتانسیل موجب به ابداع تکنیک های مختلف نشانگرهای مولکولی گردید.وجود پلی مورفیسم تک نوکلئوتیدی (SNP )موجب ایجاد تنوع و تمایز در ژنوم افراد متعلق به یک گونه می گردد.این نشانگرهای ژنتیکی می توانند ژنهایی باشند که فنوتیپ نتایج را تحت تاثیر قرار می دهند و یا نواحی تصادفی از DNA باشند (مانند تکنیک های RAPD و یا AFLP ).

از عمده ترین کاربردهای نشانگرهای مولکولی در بهنژادی گیاهان استفاده از آنها در تهیه شناسنامه های ژنتیکی (و کمک گرفتن از این شناسنامه ها در شناسایی دقیق و سریع ژنوتیپ های مورد نظر)یا به عبارت دیگر انگشت نگاری DNA ،بررسی های تنوع ژنتیکی ،تهیه نقشه های ژنتیکی و انتخاب ژنوتیپ های مورد نظر به کمک نشانگرهای مولکولی (Marker Assisted Selection )می باشد.

بطور سنتی شناسایی ارقام از طریق بررسی مشخصات مورفولژیکی،فیزیولوژیکی و باغبانی گیاهان مورد نظر صورت می گرفته است.این مشخصه ها به میزان زیادی تحت تاثیر شرایط محیطی و خطای تشخیص انسان قرار دارند.از نشانگرهای مولکولی در شناسایی بسیاری از گیاهان زینتی از جمله رز،داودی،چمن ها Holly ،(Turfgrass )(درخت خاس)،درخت یاس (Lilac )،صنوبر(Poplar )،کاملیا،میخک و غیره استفاده شده است.

بر اساس قانون حق امتیاز کلیه مواد گیاهی به مدت 17 سال در انحصار تولید کنندگان آن می باشد.اثبات این مالکیت با استفاده از نشانگرهای ژنتیکی و انگشت نگاری DNA نتایج بسیار دقیق تر و سریعتری را در اختیار قرار می دهد.

علاوه بر استفاده از نشانگرهای ژنتیکی در شناسایی ژنوتیپ ها از پروفیل های DNA حاصل از نشانگرهای مولکولی مختلف در بررسی روابط تنوع ژنتیکی این ارقام مختلف استفاده می شود.در خصوص تهیه نقشه (Genome Mapping )دو روش وجود دارد:تهیه نقشه های فیزیکی و دیگری تهیه نقشه های لینکاژ ژنتیکی.اطلاعات حاصل از نقشه های فیزیکی در مقایسه با روش دیگر از سودمندی کمتری برای متخصصین بهنژادی برخوردار است.تهیه نقشه های ژنتیکی از طریق بررسی تفرق نشانگرهای ژنتیکی در نتایج حاصل از یک تلاقی کنترل شده صورت می گیرد.میزان نوترکیبی اتفاق افتاده بین دو نشانگر در یک گروه لینکارژی به عنوان معیاری برای فاصله ژنتیکی بین این نشانگرها در نظر گرفته می شود.انواع مختلف نشانگرهای ژنتیکی عبارتند از:نشانگرهای ایزوزایم و پروتئینی RFLP,RAPD,AFLP,RLGS, VNTR ,C, SSCP, APS  و... .

مهندسی ژنتیک

در به نژادی سنتی کل ژنوم دو والد  با یکدیگر آمیخته شده و نهایتا منجر به ایجاد نتایجی با فنوتیپ کم و بیش غیر قابل پیش بینی می شود.در حالیکه در مهندسی ژنتیک تنها یک و یا تعداد کمی ژن مورد تغییر ژنتیکی قرار گرفته و بقیه ژنوم گیاه بدون تغییر باقی خواهد ماند.

تغییر ژنتیکی گیاهان زینتی بطور قابل توجهی باعث افزایش تلاشهای فعلی متخصصین بهنژادی سنتی و مدرن در تولید گیاهان جدید خواهد شد.این تکنیک های مولکولی امکان تغییر مشخصه های خاصی از گیاه نظیر شکل،رنگ و مقاومت به بیماریها و آفات را در گیاه فراهم می نماید.

روشهای مختلف مورد استفاده برای ایجاد تغییر ژنتیکی در گیاهان زینتی عبارتند از:بکار گیری باکتری های Agrobacterium tumefaciens  و A.rhizogenes ، تکنیک های بایولیستیک،امتزاج پروتوپلاست،انتقال DNA بواسطه مواد شیمیایی.از جمله گیاهان زینتی تغییر یافته ژنتیکی می توان رز،شمعدانی،اطلسی، لاله،میخک ،ژربرا، گلایل، گل میمون، داودی، سوسن،Lathyrus    ،Forsythia  و غیره را نام برد.

الف-القای موتاسیون

القای موتاسیون در گیاهان با روشهای مختلف با هدف ایجاد تغییرات در یک ژن صورت گرفته است.رایج ترین موتاژن های گیاهی مورد استفاده عبارتند از EMS (اتیل متان سولفونات)،ترانسپورژن ها و T-DNAs .بطور مثال از این شیوه در تغییر رنگ اطلسی استفاده شده است.

ب-استفاده از ابزارهای بیوتکنولوژی برای شکل گیاه برای متخصصین فضای سبز تمامی جنبه های رشد و نمو گیاهی که از لحاظ عملکرد گیاه کامل در طول دوره حیات آن حائز اهمیت است مورد توجه می باشد.شکل نهایی یک گیاه زینتی از اهمیت خاصی برخوردار بوده و در واقع تلفیق نهایی عوامل ژنتیکی ،فیزیولوژیکی و زراعی می باشد.از پیش تعیین کردن شکل و فرم گیاه از جمله اهداف استفاده از بیوتکنولوژی در زمینه فضای سبز است.در این خصوص مطالعاتی بر روی کاج(Pinus )،Betula ،Pseudotsuga ،Kalmia ،Dieffenbachia ،Rhododendron ،Syngonium و...صورت گرفته است.

از جمله این ابزارها و روش ها می توان به این موارد اشاره نمود:1-تنوع سوماکلونال،2-مهندسی ژنتیک در جهت افزایش ،کاهش،غیرفعال سازی و یا تغییر حساسیت بافت به یک هورمون،3-استفاده از ژن هورمون های با منشا میکروبی مانند ژن های iaa از A.tumefaciens یا A.rhizpogenes که موجب کاهش انشعابات گیاه می شود و یا ژن ipt که برای تولید گیاهان متراکم تر مفید است (این مطالعات در مورد اطلسی(Petunia )،Prunus ،Populus صورت گرفته است)،4-استفاده از ژن های فاتیوکروم با منشا گیاهی؛فایتوکروم به عنوان یک کلید مولکولی که با نور فعال شده و بیان ژن های گیاهی را تنظیم می نماید در نظر گرفته می شود.

ج-استفاده از مهندسی ژنتیک در گل دهی کنترل شده و افزایش میزان بو

به عنوان مثال تاخیر در پیری گل گیاه اطلسی از طریق مهندسی ژنتیک و با استفاده از ژن های ACC synthase و ACC oxidase که در واقع توالی های کد کننده آنزیم های دخیل در بیوسنتز اتیلن می باشندصورت گرفته است تحقیقات جدید در انتقال ژن این گونه است که بتوان در زمان و شرایط و نقطه خاصی از گیاه ژن انتقال دهنه اکسین فعال و یا غیر فعال شود.در این صورت گیاه بطور اتوماتیک پر برگ تر یا پر گل تر می شود.

در یک بررسی دیگر،محققان دانشگاه فلوریدا قادر به جدا کردن و کلون کردن ژنی شده اند که در میزان بو در گیاهان زینتی بخصوص گل رز نقش دارند با انتقال این ژن به گیاهان حتی به گوجه فرنگی محققان قادر شدن گیاهان با میزان عطر بالا تولسد کنند.

محققان با انتقال یک ژن موتاسیون یافته از گل آنتوریوم به سایر گل ها قادر به تولید گل آنتوریوم با رنگ زرد شدند که این رنگ قبلاً به صصورت نادر فقط در گیاهان جهش یافته مورد بررسی برای مهندسی ژنتیک گیاهان بوده است افزایش تحمل نسبت به علف کش ها را می توان از طریق تغیر آنزیم های هدف کش ،سمیت زدایی علف کش ها،افزایش بیان آنزیم هدف و یا تفلیق همه استراتژی ها ی ذکر شده بدست آورد.ژن های کد کننده تحمل ،سمیت زدایی و یا افزایش بیان آنزیمی از میکروب ها و گیاهان عالی جداسازی شده اند.این مطالعات به طور موفقیت آمیزی در جریان بوده و البته بیشتر معطوف به محصولات زراعی و باغی که از لحاظ غذایی حائز اهمیت می باشند،است.از جمله ژنهای مورد بررسی در بهبود تحمل به علف کش ها می توان به موارد ذیل اشاره نمود:

نهای بازدارنده گلوتامین سنتتاز،بازدارنده های بیوسنتز اسید آمینه،بازدارنده های فتوسنتز و....

ح-استفاده از مهندسی ژنتیک در تولید گیاهان مقاوم به شوری ییک ژن باکتریایی که قادر به تولید مانیتول از فروکتوز است برای القای مقاومت به شوری در سپیدار چینی استفاده شده است این گیاهان ترانسژن شده قادر به زنده ماندن در مقادیر بالای نمک با سرعت رشد تقریباً نصف می باشند.

ط-استفاده از بیوتکنولوژی در بیابان زدایی و جلوگیری از فرسایش

در کشور چین بدلیل پیشروی بیابان ها و فرسایش شدید ناشی از سیلاب جنگلکاری وسیعی توسط دولت با درختان مهندسی نتیک شده انجام گرفته است این پروژه که تحت عنوان دیوار بزرگ سبز از سال2001 انجام شده بیش از یک میلیون درخت را شامل می شود در این پروژه دو گونه از سپیدار های مهندسی ژنتیک شده مقاوم به افات از طریق ژنBt کشت شده اند.

ی-استفاده از بیوتکنولوژی در جلوگیری از آلودگی محیط زیست

یکی از بهترین راه حل ها جهت حذف ضایعات سنگین،تصفیه بیولوژیکی فاضلاب،حذف فلزات سنگین از فاضلاب و خاک و تجزیه میکروبی نفت و مشتقات آن است که در آمریکا و ژاپن به شدت مورد حمایت و توجه می باشد.زیست پالایی(Bioremediation )و به طور خاص گیاه پالایی(phytoremediation )

بسیاری از درختان مهندسی ژنتیک شده از طریق ژنBt به حشرات مقاوم شده و در نتیجه میزان استفاده از حشره کش ها را کاهش می دهند که این موجب کاهش گازهای گلخانه ای میگردد.این گیاهان موجب حفظ توزیع کربن (تابش کربن) از طریق کم کردن استفاده از حشره کش ها شده و هچنین باعث جدا کردن کربن در خاک در حین شخم حفاظت شده در گیاهان مقاوم به علف کش می گردند.ادعا شده است که میزان حفظ کربن این درختان معادل 9 میلیون تن دی اکسید  کربن یا حذف 4 میلیون اتومبیل از جاده ها است،می باشند.

بهنژادی به منظور بهبود تحمل به تنش های زیستی و غیر زیستی

به ندرت همه اجزای فیزیکی محیط زیست طبیعی یک گیاه از لحاظ رشد و نمو در تمام دوره حیات آن به صورت بهینه می باشند.بدلیل پویایی شرایط زیست محیطی،اکثر گیاهان دارای مکانیسم هایی برای مقابله با شرایط نامساعد یرامون خود می باشند.

انواع تنش های محیطی:

· دما:

بالا(شوگ گرمایی-گرمای مداوم)

پائین(سرمازدگی-یخبندان)

· آب: (کم-زیاد)

· شوری(یونی-اسمزی)

· تغذیه ای(زیادی-کمبود)

· فلزات سنگین

· اتمسفری(باران اسیدی-باد-ازن-تگرگ-دی اکسید گوگرد)

· تشعشع(ماورا بنفش-فتوسنتزی)

· بیولوژیک(آفات-بیماریها-....)

یکی از ابزارهای امیدبخشی که به محققین در پاسخ به تنش ها و احتمالا در افزایش تحمل به آنها کمک می نماید،DNA نو ترکیب می باشد.در این رابطه تاکنون تلاش هایی صورت گرفته است که البته بیشتر متوجه محصولات غذایی می باشد تا زینتی.هر چند این تلاشها در خصوص گیاهان زینتی مهم امیدوارانه در حال پیشرفت است اما به نظر می رسد که بکارگیری عمومی و گسترده این تکنولوژی در آینده خیلی نزدیک محتمل نباشد.

ه-مقاومت به بیماریها

گیاهان زینتی در معرض انواع مختلف بیماری ها و آفات قرار دارند.اگر چه بسیاری از آنها به طور موثری از طریق روش های شیمیایی قابل کنترل می باشند اما بدیهی است که استفاده گسترده از چنین مواد شیمیایی یک تهدید زیست محیطی جدی به حساب می آید.از این رو ایجاد ژنوتیپ های مقاوم به عنوان بهترین و رایج ترین استراتژی در کنترل بیماری ها برای توسعه فضای سبز پایدار ضروری به نظر می رسد.در خصوص ایجاد مقاومت به ویروس ها نیز در گیاهان از جمله روش های مورد بررسی می توان به موارد ذیل اشاره نمود:

1.کلونینگ ژن های طبیعی مقاوم به ویروس از گیاهان

2.تغییر بیان ژن هایی که در حین واکنش های مقاومت تحریک می شوند

3.بیان آنتی بادی هایی که به پروتئین های حیاتی ویروس می چسبند

4.بیان ژن های ویروس در گیاهان

به عنوان مثال تلاش هایی در خصوص ایجاد تغییرات نتیکی در دو رقم داودی برای تولید گیاهان مقاوم به ویروس TSWV صورت گرفته است.

و-مقاومت به آفات

در مورد آفات نیز یکی از اولین کاربردهای مهندسی ژنتیک برای گیاهان چوبی بررسی و بهبود مقاومت به آفات بوده است.موثرترین استراتژی برای مدیریت آفات استفاده از پایه های ماوم در ترکیب با سایر معیارهای کنترلی بیولوژیک می باشد.تلاش های صورت گرفته در زمینه استفاده از تکنیک های مهندسی ژنتیک برای مقاومت به آفات بیشتر بر روی Bacillus thuringensis و ژن های کد کننده اندوتوکسین،کیتینازها و بازدارنده های پروتئیناز معطوف شده است.Bacillus thuringensiss یک باکتری گرم مثبت می باشد که در خلال اسپورزایی تولید کریستال های پروتئینی می نماید و پس از هضم آنها توسط آفات به صورت محلول درامده و در شرایط قلیایی سیستم گوارشی شکسته می شوند که در این حالت منجر به آزاد شدن اندوتوکسین های فعال می گردد.این توکسین ها به اپیتلیوم سیستم گوارشی آفت چسبیده و باعث برهم زدن توازن اسمزی سلولی و نهایتا تخیب سلولی،اختلا تغذیه ای و مرگ خواهند شد.

تهیه چمن های مهندسی ژنتیک شده مقاوم به آفات و خشکی

جدیداً توسط شرکت Scotts Miracle چمن های مهندسی شده تولید می گردد این چمن ها مقاوم به آفت و کند رشد هستند.این چمن ها نیازی به کود نداشته و به حشره کش و علف کش ها مقاوم اند و نیازی به کوتاه کردن و آبیاری مداوم ندارند و اگر پس از مدتی کم آبی پژمرده و یا خشک شوند پس از اولین دور آبیاری به حالت اولیه باز می گردند.

ز-مقاومت به علف کش ها

ک-نانوبیوتکنولوژی و کاربرد آن در فضای سبز

اخیراً با استفاده از فناوری نانو دانشمند موفق به تولید آسفالت و قیرهایی شده اند که در موقع ترمز گرفتن هیچ دایی تولید نمی کنند و در تابستان گرما متصاعد نکرده و قادر به تعمیر خرابی های خود می باشد.این آسفالت ها با استفاده از نانوبیوتکنولوژی تولید شده اند و حاوی میکروکپسول هایی هستند که در اثر شکاف و خرابی فعال شده و شروع به پلیمریزه شدن می کنند.از دیگر مزایای این آسفالت ها محدود کردن انتشار گازهای گلخانه ای و کاهش مصرف انرژی و آلودگی صوتی می باشد.

میزان آب شیرین در کره زمین محدود بوده و هزینه شیرین کردن آبهای شور و نیمه شور بسیار زیاد است قسمت اعظم آب شیرین به مصرف کشاورزی می رسد.با استفاده از غشاء های انتخابی که با استفاده از تکنولوژی نانو ساخته شده اند به جای استفاده از فیلترهای رزینی نه تنها هزینه شیرین سازی را کاهش می یابد بلکه مدت زمان مورد نیاز نیز بسیار کم می شود.با استفاده از این غشاهای نانو میتوان آب مورد نیاز کشاورزی و حتی شرب را فراهم نمود.

منابع

Huang L.-C.,et al.2007.Delayed flower senescence of Petu-nia hybrida plants transformed with antisense broccoli ACC synthase and ACC oxidase genes.Postharvest Biology and Technology 46:47-53.