بالا بردن مقاومت در گیاهان و درختان

اصلاح مقاومت به خشکی در گیاهان زراعی

چکیده : تنش خشکی مانع از تظاهر کامل پتانسیل ژنتیکی گیاهان زراعی می شود و از اینرو  موجب کاهش تولیدات کشاورزی می گردد. در مقاومت به خشکی سه مکانیزم دخالت دارند که عبارتند از فرار از خشکی ، اجتناب از خشکی و تحمل به خشکی. صفات مختلف مورفولوژیکی، فیزیولوژیکی و بیوشیمیایی باعث ایجاد مقاومت به خشکی می شوند. نحوه توارث (تک ژنی و چند ژنی بودن) و نوع عمل ژن (افزایشی و غیرافزایشی بودن) در صفات مورفولوژیکی و فیزیولوژیکی متفاوت است. با این حال، ژنهای مسؤل بیوسنتز انواع مواد محلول سازگار (compatible solutes) شناسایی و از موجودات مختلفی همچون گیاهان، مخمر، موش و انسان همسانه سازی (کلون) شده اند. روشهای اصلاحی مختلفی برای مقاومت به خشکی وجود دارند که هر یک دارای مزایا و معایبی هستند. در هر برنامه اصلاحی وجود روشهای کارآمد  برای شناسایی و انتخاب ژنوتیپ های مناسب ضروری می باشد. شناسایی و انتقال  ژنهای مسئول بیوسنتز متابولیت های متعددی همچون پرولین، ترهالوز، و پلی  آمینها از موجودات مختلف به گیاهان زراعی از طریق مهندسی ژنتیک بطورموفقیت آمیزی صورت گرفته است. به عنوان مثال، ژن hva1 جو که مسئول سنتز پروتئین های فراوان در اواخر دوره جنین زایی (Late embryogenesis abundant proteins) می باشد از طریق روش انتقال تصادفی (shotgun)  به برنج منتقل شده و منجر به تولید برنج تراریخت گردیده است. فقدان یک  رهیافت تلفیقی و روشهای دقیق غربال کردن، دانش کم درباره اساس ژنتیکی  مقاومت به خشکی،  همبستگی منفی بین مقاومت به خشکی و عملکرد، و نبود ژنهای  مناسب برای تولید گیاهان تراریخت از عوامل اصلی محدود کننده اصلاح ژنتیکی  مقاومت به خشکی  می باشند. در برنامه های تحقیقاتی آینده برای مقاومت به  خشکی لازم است موارد زیر لحاظ شود: جستجو برای یافتن تنوع ژنتیکی وسیع در  صفات مرتبط با مقاومت به خشکی، انتقال همزمان چندین ژن از طریق روشهای  اصلاحی متداول یا مهندسی ژنتیک، استفاده از تکنیک  RNA ناهمسو ، ارزیابی پلی پپتید های القاء شده در شرایط تنش خشکی واستفاده از یک رهیافت تلفیقی.  

خشکی  در واقع یک رویداد هواشناختی است که با عدم وقوع بارندگی در یک دوره زمانی  همراه می باشد، دو‌‌‎‎ره ای که به اندازه کافی بلند است تا باعث تخلیه  رطوبتی خاک و تنش کمبود آب همراه با کاهش پتانسیل آب در بافتهای گیاهی  گردد. اما از دیدگاه کشاورزی، خشکی عبارت است از ناکافی بودن مقدار و توزیع  آب قابل استفاده  در طی دوره رشد گیاه که این امر موجب کاهش بروز توان  کامل ژنتیکی گیاه می گردد. خشکی عامل اصلی محدود کننده تولیدات کشاورزی می  باشد که گیاه را از رسیدن به حداکثر توان محصولدهی باز می دارد (٨). اثر  خشکی بر عملکرد و درآمد نهایی زارع کاملا شناخته شده است. اغلب گیاهان  زراعی بویژه در طی دوره گلدهی تا نمو بذر به تنش کمبود آب حساسند. حتی  گیاهانی مانند ارزن دم روباهی، سورگوم و لوبیا چشم بلبلی نیز  که در نواحی  خشک و نیمه خشک کشت می شوند در مرحله زایشی تحت تاثیر تنش خشکی قرار می  گیرند.

 در  کشاورزی، مقاومت به خشکی عبارت است از  توانایی یک گیاه زراعی برای تولید  محصول اقتصادی با حداقل کاهش عملکرد در شرایط تنش نسبت به شرایط بدون تنش  (٨). برای اینکه متخصص  ژنتیک بتواند ژنوتیپ های برتر را از طریق روشهای متداول اصلاح نباتات و یا  با استفاده از بیوتکنولوژی اصلاح نماید لازم است درک درستی از اساس ژنتیکی  مقاومت به خشکی داشته باشد.

 مکانیزم های مقاومت به خشکی

 از  نظر ژنتیکی، مکانیزم های مقاومت به خشکی را می توان به سه دسته تقسیم کرد  که عبارتند از فرار از خشکی، اجتناب از خشکی و تحمل به خشکی (۲و٨). با این  وجود، گیاهان زراعی معمولا بیش از یک مکانیزم را برای مقاومت در برابر خشکی  بکار  می گیرند. اجتناب از خشکی عبارت است از توانایی یک گیاه برای کامل  کردن چرخه زندگی خود قبل از گسترش تنش کمبود آب در خاک و گیاه. این مکانیزم  شامل توسعه سریع فنولوژیک (زود گلدهی و زود رسی)، انعطاف پذیری نموی (تنوع  در طول دوره رشد بسته به شدت تنش کمبود آب) و انتقال فراورده های فتوسنتزی  ما قبل گلدهی به دانه.  

 اجتناب  از خشکی عبارت است از توانایی گیاه برای حفظ پتانسیل آب نسبتا بالا در  بافتها علی رغم وجود کمبود رطوبت در خاک. تحمل به خشکی عبارت است از  توانایی گیاه برای مقابله با کمبود آب با پایین آوردن پتانسیل آب بافتها.  اجتناب از خشکی از طریق مکانیزم های بهبود جذب آب، ذخیره سازی آب در  سلولهای گیاهی و کاهش از دست رفتن آب تحقق می یابد (۲و٨). واکنش گیاهان در  برابر تنش کمبود آب تعیین کننده میزان تحمل به خشکی آنهاست. به عنوان مثال،  برخی ژنوتیپ های چغندر قند که ریشه های عمیق تری دارند قادر به جذب آب  بیشتری بوده و دیرتر پژمرده می شوند و در شرایط جشکی تنوع ژنتیکی برای  میزان پژمردگی، سرعت رشد برگ، تنظیم اسمزی و هدایت روزنه ای در واریته های  مختلف چغندر قند مشاهده شده است (۱).  

 اجتناب  از خشکی با دو روش صورت می گیرد: ۱) حفظ آماس با افزایش عمق ریشه، سیستم  ریشه ای کارآمد و افزایش هدایت هیدرولیکی، ۲) کاهش هدر رفتن آب با کاهش  هدایت اپیدرمی (روزنه ای و عدسی)، کاهش جذب نور از طریق  لوله ای شدن یا  تاخوردن برگها، و کاهش سطح برگ برای پایین آوردن میزان تبخیر (۲و٨). در  شرایط تنش خشکی، گیاهان با متعادل کردن حفظ آماس و کاهش هدر رفتن آب زنده  می مانند. مکانیزم های تحمل به خشکی عبارتند از حفظ آماس از طریق تنظیم  اسمزی (فرایندی که باعث تجمع مواد محلول در سلول   می گردد)، افزایش اتساع  پذیری سلول، کاهش اندازه سلول و تحمل در برابر آب کشیدگی  از طریق مقاومت  پروتوپلاسمی(۲و٨).  

 متاسفانه  اغلب این سازگاریها دارای معایبی هستند. ژنوتیپی که دوره رشد کوتاهی دارد  معمولا کم محصول تر از ژنوتیپ دیگری با دوره رشد معمولی می باشد. مکانیزم  هایی که باعث مقاومت به خشکی از طریق کاهش هدررفتن آب می شوند (مانند بسته  شدن روزنه ها و کاهش سطح برگ) معمولا منجر به کاهش جذب دی اکسید کربن می  گردند. تنظیم اسمزی با حفظ آماس گیاه مقاومت به خشکی را افزایش می دهد اما  افزایش غلظت مواد محلول که تنظیم اسمزی را موجب می شود می تواند علاوه بر  انرژی لازم برای تنظیم اسمزی اثرات نامطلوبی نیز درپی داشته باشد. درنتیجه،  سازگاری گیاه باید ضمن حفظ محصولدهی مناسب، منعکس کننده تعادل میان فرار،  اجتناب و تحمل به خشکی باشد.

 ژنتیک مقاومت به خشکی

 مقاومت  به خشکی صفت پیچیده ای است که بروز آن بستگی به عمل و عکس العمل میان صفات  مختلف مورفولوژیکی (زودرسی، کاهش سطح برگ، لوله ای شدن برگ، میزان موم،  سیستم ریشه ای کارآمد، ریشک دار بودن، پایداری عملکرد و کاهش پنجه زنی)،  فیزیولوژیکی (کاهش تعرق، افزایش راندمان مصرف آب، بسته شدن روزنه ها و  تنظیم اسمزی)، و بیوشیمیایی (تجمع پرولین، پلی آمین، ترهالوز و غیره،  افزایش فعالیت آنزیم نیترات ردوکتاز وافزایش ذخیره سازی کربوهیدراتها)  دارد. مکانیزم های ژنتیکی کنترل کننده این صفات چندان شناخته شده نیستند.

 شناسایی  ژنهای کنترل کننده صفات مورفولوژیکی و فیزیولوژیکی و محل آنها در روی  کروموزومها امکان پذیر بوده و نحوه توارث آنها و ماهیت عمل ژن گزارش گردیده  است. توارث چندژنی خصوصیات ریشه بوسیله Ekanayake  و همکاران (۳) گزارش شده است. طول و تراکم ریشه ها بوسیله آللهای غالب و  ضخیم بودن راس ریشه بوسیله آللهای مغلوب کنترل می شود. با این وجود، لوله  ای شدن برگ و تنظیم اسمزی وراثت تک ژنی نشان داده اند. Tomar و Prasad (۹) یک ژن مقاومت به خشکی بنام Drt1 را در برنج گزارش دادند که  با ژنهای ارتفاع بوته، رنگدانه و ریشک دار بودن پیوستگی دارد و دارای اثر  پلیوتروپی بر روی سیستم ریشه می باشد. در لوبیا چشم بلبلی نیز گزارش شده  است که مقاومت به خشکی بوسیله یک ژن غالب کنترل می شود (٨).

 اگرچه  گزارشات دیگری در این زمینه برای سایر صفات وجود دارد، تحقیقات بیشتری  لازم است تا کنترل ژنتیکی صفات مورفولوژیکی و فیزیولوژیکی موثر در مقاومت  به خشکی روشنتر شود.

 علاوه  بر تغییرات مورفولوژیکی و فیزیولوژیکی، تغییرات بیوشیمیایی نیز از جمله  القای بیوسنتز مواد محلول سازگار روشی برای بیان وقوع تنش خشکی می باشد. در  شرایط تنش خشکی، گیاهان سعی می کنند محتوای آب خود را با انباشته کردن  مواد محلول متعدد که غیر سمی بوده و خللی در فرایندهای گیاه ایجاد نمی کنند حفظ  نمایند. به این خاطر این مواد را مواد محلول سازگار می نامند. بعضی از  آنها عبارتند از فروکتان، ترهالوز، پلیول ها، گلایسین بتایین، پرولین و پلی  آمینها (۲و٨). ژنهای مختلفی که مسئول آنزیمهای دخیل در بیوسنتز این مواد  محلول هستند شناسایی شده و از موجودات مختلف از جمله باکتریها، مخمر، انسان  و گیاه همسانه سازی شده اند که در قسمت های بعدی همین مقاله مورد بحث قرار  خواهند گرفت.

 اصلاح مقاومت به خشکی  

 سه  روش برای اصلاح مقاومت به خشکی وجود دارد. روش اول عبارت است از اصلاح  برای عملکرد بالا در شرایط بدون تنش. از آنجایی که انتظار می رود حداکثر  پتانسیل ژنتیکی عملکرد در شرایط بدون تنش تحقق یابد و همبستگی مثبت بالایی  بین عملکرد در شرایط تنش و بدون تنش وجود دارد، ژنوتیپی با عملکرد بالا در  شرایط بدون تنش عملکرد نسبتا" بالایی نیز درشرایط تنش خواهد داشت. این  فلسفه اصلی این روش می باشد. با این وجود، مفهوم بروز حداکثر پتانسیل  ژنتیکی در شرایط بدون تنش مورد بحث می باشد زیرا اثر متقابل ژنوتیپ و محیط  می تواند مانع از رسیدن ژنوتیپ پر محصول به عملکرد بالا در شرایط تنش خشکی  گردد. بنابراین، روش دوم یعنی اصلاح برای عملکرد بالا در شرایط تنش خشکی  واقعی پیشنهاد شده است اما مشکل این روش آن است که شدت تنش خشکی از سالی به  سال دیگر و در نتیجه، فشار انتخاب محیطی بر روی مواد اصلاحی از نسلی به  نسل دیگر بسیار متغیر است. این مسأله همراه با وراثت پذیری پایین عملکرد  موجب پیچیدگی و کند شدن برنامه اصلاحی می گردد(۲و٨).

 روش  سوم که می تواند جایگزینی برای دو روش مذکور باشد عبارت است از اصلاح  مقاومت به خشکی در ژنوتیپ های پر محصول با وارد کردن مکانیزم های  مورفولوژیکی و فزیولوژیکی مقاومت به خشکی. اما انتقال مقاومت به خشکی به  ژنوتیپ های پر محصول پیچیده است زیرا اساس فیزیولوژیکی و ژنتیکی سازگاری به  شرایط تنش خشکی کاملا" معلوم نیست. برعکس، اصلاح پتانسیل عملکرد یک ژنوتیپ  مقاوم می تواند روش امیدبخش تری باشد به شرط اینکه تنوع ژنتیکی در داخل  چنین ژنوتیپی وجود داشته باشد. برای دستیابی به ژنوتیپ های مقاوم به خشکی و  پرمحصول می توان از انتخاب همزمان در محیطهای بدون تنش برای عملکرد و در  شرایط تنش خشکی برای پایداری عملکرد استفاده کرد(۲و٨).

 روش  اصلاحی بکار رفته برای مقاومت به خشکی همان روشی است که برای سایر اهداف  اصلاحی استفاده می شود. بطور کلی، می توان از روشهای انتخاب شجره ای و بالک  (دسته جمعی) برای اصلاح گیاهان خودگشن و از روش انتخاب دوره ای برای اصلاح  گیاهان دگرگشن استفاده کرد. با این وجود، اگر هدف ما انتقال چند صفت مؤثر  در تحمل به خشکی به یک ژنوتیپ پرمحصول باشد، تلاقی برگشتی روش مناسبی است.  از طرف دیگر، تلاقی دو والدی (هاف سیب یا نیمه خواهری و فول سیب یا تمام  خواهری) موجب حفظ پایه ژنتیکی وسیع شده و امکان تهیه ژنوتیپ های مطلوب  مقاوم به خشکی را فراهم می سازد (٨). با این حال، موفقیت هر برنامه اصلاحی،  بویژه برای مقاومت به خشکی، بستگی به وجود روش مناسب ارزیابی یا غربال  کردن دارد.

 روشهای ارزیابی مقاومت به خشکی  

 هر  اقدامی برای اصلاح ژنتیکی مقاومت به خشکی با استفاده از تنوع ژتنیکی موجود  نیاز به یک روش ارزیابی یا غربال کردن کارآمد دارد که باید سریع بوده و  قادر به ارزیابی عملکرد گیاه در مراحل حساس رشدی و غربال کردن یک جمعیت  بزرگ فقط با استفاده از تعداد محدودی مواد گیاهی باشد. همانطوری که قبلا  اشاره شد مقاومت به خشکی نتیجه برهمکنش صفات مختلف مورفولوژیکی،  فیزیولوژیکی و بیوشیمیایی است و بنابراین می توان از این اجزای مختلف به  عنوان شاخصهای گزینش برای غربال کردن تیپ ایده ال (ایدئوتیپ) گیاهی استفاده  کرد. بجای یک صفت ساده باید ترکیبی از صفات مختلف که رابطه مستقیم با  مقاومت به خشکی دارند به عنوان معیارهای گزینش مورد استفاده قرار گیرد (٨).

 Ludlow  و Muchow (۶) مزیت صفات مختلفی را که باعث ایجاد مقاومت به خشکی می شوند رتبه بندی کردند.   McCreeو همکاران (۷) و Johnson  و همکاران (۵) چارچوبی را تعیین کردند تا بر اساس آن بتوان ارزیابی کرد که  چه ترکیبی از صفات در وضعیت آب و رشد گیاه مؤثرند و این می تواند  فیزیولوژی را به برنامه جامع بهنژادی گیاهان پیوند بزند. اهمیت تهیه یک روش  غربال کردن قابل اعتماد از مدتها قبل درک شده است. روشهای مختلفی که  تاکنون برای غربال کردن مورد استفاده قرار گرفته اند عبارتند از:

 1استفاده از دماسنج مادون قرمز برای غربال کردن ژنوتیپ هایی که کارایی بالایی در جذب آب دارند.

 2پخش  نواری علف کش متریبوزین در عمق معینی از خاک و استفاده از ید-۱۳۱  و کشت  هیدروپونیک (آب کشتی) تحت تنش ۱۵ بار برای غربال کردن رشد ریشه.

 3استفاده از روش سایکرومتری برای ارزیابی تنظیم اسمزی.

 4استفاده از پورومتر انتشاری برای اندازه گیری میزان هدایت آب برگ.

 5استفاده از تکنیک مینی رایزوترون برای اندازه گیری میزان نفوذ، توزیع و تراکم ریشه در مزرعه با حداقل دست خوردگی.

 6عکسبرداری هوایی مادون قرمز برای اندازه گیری میزان به تعویق افتادن آب کشیدگی.

 7استفاده از تبعیض ایزوتوپهای کربن برای انتخاب ژنوتیپ های دارای راندمان مصرف آب بالا.

 8از  آنجایی که کاهش عملکرد نگرانی اصلی زارع می باشد متخصصین اصلاح نباتات بر  عملکرد در شرایط تنش خشکی تاکید می کنند. از یک شاخص تنش خشکی که معیاری از  خشکی را بر اساس کاهش عملکرد در شرایط تنش نسبت به شرایط بدون تنش فراهم  می نماید برای غربال کردن ژنوتیپ های مقاوم به خشکی استفاده شده است.  همچنین، از یک محیط تنش خشکی که بطور مصنوعی ایجاد شده است می توان برای  انتخاب ژنوتیپ برتر از داخل یک جمعیت بزرگ استفاده کرد. رتبه بندی ظاهری یا  اندازه گیری بلوغ، لوله ای شدن برگ، طول و زاویه برگ، شکل ظاهری ریشه و  سایر خصوصیات مورفولوژیکی که ارتباط مستقیم با مقاومت به خشکی دارند نیز  مورد توجه قرار گرفته اند (٨).

رهیافت بیوتکنولوژیکی برای مقاومت به خشکی  

 از  روشهای دست ورزی ژنتیکی در گیاهان زراعی برای شناسایی ژنهای مقاومت به  خشکی و انتقال آنها استفاده شده است. اساسا" با استفاده از دو روش یعنی روش  هدفمند و روش تصادفی می توان گیاهان تراریختی را تولید کرد که دارای  مقاومت به خشکی هستند.

 روش هدفمند

 مسیرهای  متابولیکی که شامل سنتز پلی آمین، کربوهیدرات، پرولین، گلیسین بتایین و  ترهالوز می باشند با مقاومت به خشکی درارتباطند. در این روش که اساس آن  متکی بر وجود اطلاعات لازم درباره واکنش بیوشیمیایی برای سنتز این  متابولیتها می باشد ژنهای مربوطه را از منابع مختلف به گیاهان زراعی انتقال  می دهند. این رهیافت دقیقتر و روشمند تر است و از احتمال موفقیت بیشتری  نسبت به روش تصادفی برخوردار است (۲و٨).

 در  سالهای اخیر، انتقال ژنهای القاء شده در شرایط تنش خشکی که در مسیرهای  بیوشیمیایی مختلفی دخالت دارند، از منابع مختلف به گیاهان حساس به عنوان  یکی از روشهای امیدبخش درآمده است. به عنوان مثال، ژن TPS1  که در مخمر یافت شده است فعالیت آنزیم ترهالوز-۶- فسفات سینتتاز را کنترل  می کند و در بیوسنتز ترهالوز دخالت دارد. این ژن به توتون منتقل شده است.  با اندازه گیری میزان هدررفتن آب از برگهای جداشده یا با تعیین اثر قطع  آبیاری بر روی مرگ و آسیب دیدگی برگ معلوم شده است که گیاهان تراریخت دارای  مقاومت به خشکی بالایی هستند. ژن دیگری بنام P5CS  فعالیت آنزیم پیرولین-۵- کربوکسیلات سینتتاز را که در سنتز پرولین دخالت  دارد کنترل می کند و تولید بالای پرولین مقاومت به خشکی را در پی دارد.  توتون تراریختی که ِژن P5CS منتقل  شده از باقلا را بیش از حد بیان می کرد مقدار بالایی از آنزیم مذکور را  نشان داد و میزان تولید پرولین در آن  نسبت به گیاه شاهد ۱۸-۱۰ برابر بیشتر  بود. تولید بیش از حد پرولین وزن تر ریشه و نمو گل در شرایط خشکی را  افزایش داد (٨).

 ژن باکتریایی SacB که در Bacillus subtilis  یافت می شود فعالیت  لوان سوکراز را که در سنتز فروکتان دخالت دارد کنترل می نماید. زمانی که  این ژن به توتون منتقل شد گیاه تراریخت حاصله تولید فروکتان نمود و در  مقایسه با شاهد از عملکرد بالایی در شرایط خشکی ایجاد شده بوسیله پلی اتیلن  گلیکول   (PEGبرخوردار بود (٨).  ژنهای  betAو betB  که به ترتیب فعالیت کولین دهیدروژناز و بتایین آلدهید دهیدروژناز را کنترل  می نمایند در بیوسنتز گلیسین بتایین دخالت دارند و تجمع گلیسین بتایین  مقاومت به خشکی را به گیاه می دهد(٨). Holmstrom و همکاران (۴) ژن betB را از باکتری  اشرشیا کولی به توتون منتقل کردند.

 با در دسترس بودن ژنهای مسئول بیوسنتز پلی آمین مانند ADC (که فعالیت آرژنین دهیدروژناز را کنترل می کند)، ODC (که فعالیت اورنیتین دکربوکسیلاز را کنترل می کند) و SAMDC (که  فعالیت اس-آدنوزیل- متیونین دکربوکسیلاز را کنترل می نماید)، اکنون می  توان میزان پلی آمین را با استفاده از سازه های همسو و ناهمسوی این ژنها در  گیاهان تراریخت دستکاری کرد (٨). گیاهان توتون که با انتقال ژن ODC از مخمر و موش، ژنADC  از چاودار و ژنSAMDC  از  انسان، تراریخت شده اند گزارش گردیده اند اما در مورد اینکه آیا گیاهان  تراریخت تحمل به خشکی نشان می دهند یا نه مطالعات کافی صورت نگرفته است.  فقط میزان بیان پلی آمینها در گیاهان مورد مطالعه قرار گرفته است. با این  وجود، ژن SOD (سوپراکسیداز دیسموتاز) از نخود فرنگی به توتون منتقل شده و گیاهان تراریخت مقاوم به خشکی بدست آمده است (٨).  

 روش تصادفی

 در  این روش که روشی غیر مستقیم برای بدست آوردن ژن مورد نظر می باشد تغییراتی  که در فرایند سلول و بیان ژن در اثر تنش خشکی ایجاد می شود مورد تجزیه و  تحلیل قرار می گیرد. ژنهایی که تحت تنش خشکی بیان  می شوند و هیچ نقش خاصی  برای آنها پیدا نشده است شناسایی شده اند. اگرچه این روش از دقت کمی  برخوردار بوده و احتمال موفقیت در آن پایین است اما می تواند حتی موقعی که  هیچ اطلاعات قبلی درباره ژن یا فراورده ژنی وجود ندارد کارساز باشد (٨).  بنابراین، به نظر میرسد که روش تصادفی به علت وجود اطلاعات کافی درباره  تغییرات بیوشیمیایی در سلول، انتخاب بهتری برای مقاومت به خشکی می باشد. به  عنوان مثال، برنج تراریخت حامل ژن hva1 جو که با این روش تولید شده مقاومت به خشکی نشان داده است (٨). ژن hva1  سنتز یک گروه سه پروتئینی LEA (پروتئینهای فراوان در اواخر جنین زایی) را که در طی دوره تنش در اندامهای رویشی انباشته می شوند کنترل می کند (۲).

 روش  کشت بافت نیز دارای قابلیت ایجاد تنوع سوماکلونال برای مقاومت به خشکی می  باشد اما مشکلاتی که در انتخاب واریانت مورد نظر وجود دارد استفاده از این  روش را محدود می سازد.

 انتخاب به کمک نشانگر

 در  اغلب برنامه های اصلاحی، اصلاح ژنتیکی مقاومت به خشکی از طریق انتخاب برای  عملکرد صورت می گیرد ولی به علت وراثت پذیری پایین عملکرد تحت شرایط تنش و  تغییرات زمانی و مکانی در محیط مزرعه، روشهای سنتی اصلاح نباتات از سرعت  کندی برخوردار بوده است. نشانگرهای مولکولی مانند چندشکلی در طول قطعات  حاصل از برش آنزیمی  DNA (RFLP)، DNA چندشکل حاصل از تکثیر تصادفی (RAPD) و آیزوزایم ها موجب افزایش کارایی در تهیه ژنوتیپ های مقاوم به خشکی می گردد زیرا بیان آنها مستقل از اثرات محیطی است (٨).

 بعد  از شناسایی نشانگرهای مولکولی که با عملکرد یا سایر صفات مورفولوژیکی  مرتبط با مقاومت به خشکی درارتباطند می توان از آنها به عنوان معیارهای  گزینش برای مقاومت به خشکی استفاده کرد. انتخاب به کمک نشانگر در تهیه  ژنوتیپ های مقاوم به خشکی به کار رفته است. بطور مثال، نشانگرهای RFLP مرتبط با تنظیم اسمزی، دوام سبزینگی و صفات ریشه شناسایی شده است (٨).

 محدودیت ها

  پژوهشگران  تعداد بسیار زیادی صفت مرتبط با مقاومت به خشکی را پیشنهاد کرده اندکه می  توان از آنها در انتخاب برای مقاومت به خشکی استفاده کرد و تنوع ژنتیکی نیز  برای آنها در گیاهان مختلف وجود دارد اما میزان موفقیت در دستیابی به  ژتونیپ های مقاوم به خشکی پایین است. این عدم موفقیت احتمالا ناشی از  مجموعه ای از عوامل زیر است (۲و٨):

 1عدم  وجود یک رهیافت چند بخشی برای درک واکنشهای تلفیقی گیاه به تنش خشکی و  پیچیده بودن کنترل ژنتیکی مکانیزم های مختلف مقاومت به خشکی.  

 2عدم وجود روشهای غربال کردن دقیق و تکرار پذیر.

 3درباره  صفات قابل اعتمادی که بتوان به عنوان شاخصهای مقاومت به خشکی استفاده کرد و  همچنین معیارهای گزینش و تاثیر محیط بر روی صفات مرتبط با خشکی اطلاعات  کاملی وجود ندارد.

 4به  نظر می رسد سازگاری های مختلفی که موجب کاهش هدر رفتن آب در شرایط تنش  خشکی می شوند دارای اثر منفی بر روی عملکرد هستند. به عنوان مثال، لوله ای  شدن برگ و بسته شدن روزنه ها هر دو آب گیاه را حفظ می کنند اما میزان جذب  نور و ورود دی اکسید کربن به درون برگ را محدود می سازند و اینها به نوبه  خود عملکرد را کاهش می دهند. بنابراین، این صفات برای اصلاح مقاومت به خشکی  مفید نیستند.

 5خشکی  جذب عناصر غذایی را کاهش می دهد و با تنش گرمایی و در ارتفاعات با تنش  سرما ارتباط دارد. این ارتباط برنامه اصلاحی را پیچیده تر می کند.

 6علی  رغم اهمیت راندمان مصرف آب و وجود تنوع ژنتیکی برای این صفت، انتخاب برای  راندمان مصرف آب بالا غالبا با کاهش میزان رشد گیاه همراه است. در اغلب  موارد، گیاهان راندمان مصرف آب را از طریق کاهش تعرق افزایش می دهند. از  آنجایی که تولید ماده خشک رابطه قوی با تعرق کل دارد هر کاهشی در تعرق منجر  به کاهش میزان رشد گیاه می گردد.

 7محدودیت بکارگیری مهندسی ژنتیک در این زمینه به نبود اطلاعات کافی درباره مناسب ترین ژن برمی گردد.

 راهکارهای آینده

 برنامه های تحقیقاتی آینده برای مقاومت به خشکی باید راهکارهای زیر را مدنظر قرار دهد:

 1هرچه  سریعتر لازم است ذخایر ژنتیکی گیاهان برای صفات مرتبط با مقاومت به خشکی  مورد جستجو قرار گیرد و خصوصیات آنها شناسایی شود تا امکان انتقال صفات  مطلوب از طریق روشهای سنتی اصلاح نباتات یا بیوتکنولوژی فراهم گردد.

 2یک  صفت تنها نمی تواند مقاومت به خشکی را در حد رضایت بخشی به گیاه اعطا  نماید. بنابراین، هدف برنامه اصلاحی برای مقاومت به خشکی باید جمع آوری  تعدادی صفت مرتبط با مقاومت به خشکی در یک گیاه باشد.

 3دست  ورزی ژنتیکی فقط توانسته گیاهانی را ایجاد نماید که در تمام موارد تنها با  یک ژن تراریخت شده اند. بنابراین، لازم است تعداد زیادی ژن مختلف را که  مسئول بیوسنتز مواد محلول سازگار و اسمولیت های مختلف مرتبط با مقاومت به  خشکی هستند بطور همزمان به یک گیاه زراعی منتقل کرد (٨).  

 4درک بهتر اساس ژنتیکی مقاومت به خشکی از طریق تکنیک RNA  نا همسو باید مورد توجه قرار گیرد، تکنیکی که در آن اثر میزان بیان  آنزیمها یا پروتئینهای مختلف در مسیرهای بیوشیمیایی مختلف بر روی مقاومت به  خشکی مورد مشاهده قرار می گیرد (٨).

 5بعضی از پروتئینها مانند LEA،  دهیدرین و غیره در شرایط تنش خشکی سنتز شده و در بافتهای گیاهی انباشته می  شوند. می توان با مقایسه ژنوتیپ های حساس و متحمل به خشکی از نظر پلی  پپتیدهای مختلفی که در پاسخ به تنش خشکی تولید می شوند یک نشانگر پروتئینی  را شناسایی کرد که می تواند به تولید گیاهان تراریخت مقاوم به خشکی کمک  نماید(۲و٨).

 6یک  رهیافت چند بخشی که شامل ژنتیک، بیوشیمی، بیوتکنولوژی، فیزیولوژی، اصلاح  نباتات و زراعت می باشد برای ارزیابی واکنش پیچیده و تلفیقی گیاهان به تنش  خشکی و تهیه ژنوتیپ های برتر مقاوم به خشکی مناسب خواهد بود.

منابع:

1- نوروزی، پ. ۱۳٨۳. روش کلاسیک و مهندسی ژنتیک برای ایجاد تحمل به تنش خشکی در گیاهان. فصلنامه علمی-ترویجی خشکی و خشکسالی  ۱۱:۴۶–۴۳.

2- Basra AS and Basra R.K (1997) Mechanisms of environmental stress resistance in plants. Harwood Academic, Amsterdam, The Netherlands. pp.1-43.

 3-  Ekanayake IJ, O’Toole JC, Garrity DP and Masajo TM (1985) Inheritance  of root growth characters and their relations to drought resistance in  rice. Crop Science 25: 927-933.

 4-  Holmstrom KO, Mantyia E, Welin B, Mandal A, Palva ET, Tunnela OE and  Londesborough J (1996) Drought tolerance in tobacco. Nature 379:  683-684.

5-  Johnson IR, Melkonian JJ, Thornley JHM and Riha SJ (1991) A model of  water flow through plants incorporating shoot/root message control of  stomatal conductance. Plant Cell and Environment 14: 531-544.

6-  Ludlow MM and Muchow RC (1990) A critical evaluation of traits for  improving crop yields in water-limited environments. Advances in  Agronomy 43: 107-153.

 7-  McCree KJ, Fernandez CJ and Ferraz de Oliveria R (1990) Visualizing  interactions of water stress response with a whole-plant simulation  model. Crop Science 30: 294-300.

 8- Mitra J (2001) Genetics and genetic improvement of drought resistance in crop plants. Current Science 80: 758-763.

 9- Tomar JB and Prasad SC (1996) Relationship between inheritance and linkage for drought tolerance in upland rice (Oryza sativa). Indian Journal of Agricultural Sciences 66: 459-465

گردآورنده : سرکار خانم مهندس توکلی-کارشناس امور تغذیه گیاهان

*در جهت پیشرفت بخش کشاورزی ، و آگاهی کشاورزان و باغداران گرامی نشر و کپی مقالات آزاد می باشد.