✍ محصولات کشاورزی مقاوم در برابر علف کش ها

گرچه گیاهانی مانند پنبه، ذرت، برنج و گوج فرنگی برای تولید دلتا اندوتوکسین دچار تغییر ژنتیکی شده اند اما امروزه این گیاهان کشت شده وسیع ترین گروه محصولات مهندسی شده نیستند. از نظر اقتصادی مهم ترین گیاهان تراریخته آن هایی هستند که طوری تغییر ژنتیکی یافته اند تا در مقابل علف کش گلیفوسات مقاوم باشند. این علف کش که به صورت گسترده توسط کشاورزان و باغبانان استفاده می شود، یک سم دوستدار طبیعت است،  زیرا برای حیوانات و حشرات سمیت ندارند و پایداری کمی در خاک دارند. طوری که بعد از چند روز به ترکیبات بی ضرری تجزیه می شوند. با این حال گلیفوسات همه ی گیاهان اعم از علف های هرز و خود محصولات کشاورزی را از بین می برد و بنابراین باید در مزرعه ها بسیار با دقت استفاده شود تا از رشد علف های هرز بدون آسیب رساندن به خود محصول جلوگیری کند.

گیاهان Roundup Ready

اولین گیاهی که برای مقاومت به گلیفوسات دستکاری شد را Roundup Ready نام گذاری کردند که این نام گذاری از روی نام تجاری علف کش انتخاب شده بود. این گیاهان دارای ژن های تغییر یافته ای برای آنزیم انول پیروویل شیکیمات-۳-فسفات سنتاز(EPSPS) بودند که شیکیمات و فسفوانول پیروات(PEP) را به انول پیروات شیکیمات-۳ فسفات تبدیل می کند که این ترکیب پیش سازی ضروری برای اسیدآمینه ی آروماتیک تریپتوفان، تیروزین و فنیل آلانین است. گلیفوسات با فسفوانول پیروات برای اتصال به سطح آنزیم رقابت می کند، بنابراین از سنتز انول پیروویل شیکیمات-۳-فسفات جلوگیری می کند که در نتیجه این ۳ اسیدآمینه نیز ساخته نمی شوند. بدون این اسیدآمینه، گیاه بزودی می میرد.

در ابتدا دانشمندان از مهندسی ژنتیک برای تولید گیاهی استفاده کردند که بتواند بیشتر از حد نرمال EPSPS تولید کند، با این انتظار که این کار گیاهان را قادر می سازد تا در برابر دوز بیشتری از گلیفوسات نسبت به گیاهان طبیعی، مقاومت کنند. با این وجود این راهکار ناموفق بود، زیرا گرچه گیاهان دستکاری شده تا ۸۰ برابر میزان نرمال آنزیم EPSPS تولید می کردند، میزان مقاومت این گیاهان آن قدر بالا نرفته بود که گیاهان را در برابر این علف کش ها در مزارع محافظت کند.

بنابراین تحقیقاتی انجام شد تا ارگانیسمی را پیدا کنند که آنزیم EPSPS آن به گلیفوسات مقاومت دارد و بنابراین بتوان از ژن EPSPS آن ارگانیسم برای ایجاد مقاومت در یک گیاه استفاده کرد. بعد از تست این ژن در گونه های مختلف باکتری، علاوه بر فرم موتانت Petunia که در برابر گلیفوسات مقاومت نشان می داد، ژن EPSPS از باکتری آگروباکتریوم سویه ی CP4 انتخاب شد که هم خاصیت کاتالیکی بالایی داشت و هم مقاومت بسیار بالایی در برابر علف کش ها داشت. آنزیم  EPSPS در کلروپلاست گیاهان قرار دارد. بنابراین آنزیم EPSPS آگروباکتریوم به صورت یک پروتئین همجوش با یک توالی رهبر که آنزیم را به سمت غشای کلروپلاست و داخل آن هدایت می کرد، در وکتور Ti کلون شد. انواع مختلفی از گیاهان Roundup Ready در سال های اخیر تولید شده اند و اکثر این ها بالاٴخص سویا و ذرت به طور روتین در امریکا و سایر نقاط جهان کشت می شوند اما این گیاهان گلیفوسات را تخریب نمی کنند. این بدان معناست که این علف کش در گیاه تجمع پیدا می کند. گرچه این ترکیب برای انسان و حیوانات سمیت ندارد و استفاده از این گیاهان به عنوان غذا یا علوفه نگرانی در بر نخواهد داشت اما تجمع این علف کش ها در تکثیر گیاه اختلال ایجاد می کند. از طرفی میزان مقاومتی که در محصولات  Roundup Ready دیده می شود، بسیار پایین تر از آن است که به عنوان یک مزیت اقتصادی برای بعضی محصولات خصوصا گندم  در نظر گرفته شود.

تحقیقات روی میکروب ها نشان داده است که ارگانیسمی که قادرند به طور فعال گلیفوسات را تجزیه کنند، گونه ی باسیلوس هاست زیرا دارای آنزیمی به نام گلیفوسات-N-استیل ترانسفراز (GAT) هستند که با اتصال یک گروه استیل به گلیفوسات، آن را به یک مولکول غیر سمی تبدیل می کنند. فعال ترین فرم آنزیم در باکتری باسیلوس لکنی فرمیس شناسایی شده است. اما حتی این باکتری گلیفوسات در سطح بسیار  پایینی به فرم غیر سمی تبدیل می کند به طوری که نمی توان از این آنزیم برای تولید گیاهان مهندسی شده استفاده کرد.

مطالعات نشان داد که این باکتری دارای سه ژن پشت سر هم برای این آنزیم است و نوعی از تکامل هدایت شده(directed evolution) به نام multigene shuffling در ساخت آن استفاده شد.  Multigene  shuffling به معنای برداشتن بخشی از هر عضو خانواده ی چند ژنی و سرهم بندی این به بخش ها به منظور ساخت یک نوع جدید از ژن است. در هر مرحله از این فرایند، فعال ترین ژن به وسیله ی کلونینگ همه ی انواع آنزیم در E.coli و سنجش فعالیت GAT نوترکیب شناسایی شد، سپس از فعال ترین ژن ها به عنوان سوبسترایی برای دور بعدی shuffling استفاده شد. بعد از ۱۱ دور، ژنی با فعالیت آنزیمی معادل ۱۰۰۰ برابر آنزیم موجود در باسیلوس لکنی فرمیس بدست آمد. این ژن را و multigene shufflingذرت کردند و نتیجه این شد که این گیاهان تا ۹ برابر بیشتر از گیاهان معمولی در برابر این علف کش ها مقاوم شده بودند در حالی که هیچ واکنشی در تکثیر گیاه دیده نشد. این روش جدید مقاومت به گلیفوسات در تولید گیاهان سویا، کلزای مقاوم به حشره کش استفاده شده است.

کلونینگ ژن ها و آنالیز DNA در کشاورزی – بخش اول

کلونینگ ژن ها و آنالیز DNA در کشاورزی – بخش دوم

کلونینگ ژن ها و آنالیز DNA در کشاورزی – بخش سوم

کلونینگ ژن ها و آنالیز DNA در کشاورزی – بخش چهارم

کلونینگ ژن ها و آنالیز DNA در کشاورزی – بخش پنجم