بیوتکنولوژی و کاربرد آن در کشاورزی

بیوتکنولوژی و مهندسی ژنتیک دانش جدیدی است که نخستین دستاوردهای آن در هاله ای از بیم و امید ارزیابی می شود

● اشاره

بیوتکنولوژی و مهندسی ژنتیک دانش جدیدی است که نخستین دستاوردهای آن در هاله‌ای از بیم و امید ارزیابی می‌شود. در طول تاریخ بسیاری از پدیده‌های علمی در مرحله آغازین با تردید و مقاومت شدید روبه‌رو بوده‌اند. صدها نمونه از وقایع تلخ و شیرینی که بر این اساس رقم خورده، قابل شمارش است، اما کمتر دانشی به اندازه مهندسی ژنتیک با ساختار اصلی و قانونمند اعجاب‌آور و تحسین‌برانگیز در زمینه تولید فرآورده‌های حاصل از مهندسی ژنتیک با ساختار اصلی و قانونمند سامانه هستی درگیر شده است.

دهه اخیر شاهد تحولاتی اعجاب‌آور و تحسین‌برانگیز در زمینه تولید فرآورده‌های حاصل از مهندسی ژنتیک و تکنولوژی زیستی بوده است. چنانکه پیش‌بینی می‌شد، در آغاز هزاره سوم میلادی نیز بر سرعت تحولات در این زمینه افزوده شده است. تحولاتی که به همراه فناوری ارتباطات، سرنوشت اقتصادی و حتی اجتماعی و بعضاً سیاسی برخی از مناطق جهان را تحت‌تأثیر قرار خواهد داد. مهندسی ژنتیک و دست‌ورزی گیاهان زراعی و تولید گیاهان با مقاومت مطلق در مقابل آفات و امراض نباتی و بی‌نیاز از کاربرد سموم خطرناک تحولی را در کشاورزی ایجاد کرده است که تنها با ”انقلاب سبز“ قابل مقایسه است.

کلمه بیوتکنولوژی اولین بار در مجمع سازمان ملل متحد، در شهر لیدز انگلستان و در سال ۱۹۲۰ به‌کار برده شد. بیوتکنولوژی و در سال ۱۹۲۰ به‌کار برده شد. بیوتکنولوژی یکی از مدرن‌ترین شاخه‌های زیست‌شناسی است که مجموعه‌ای از علوم بیوشیمی، میکروبیولوژی سلولی، بیولوژی، مهندسی ژنتیک و ... را شامل می‌شود. در دهه ششم از قرن بیستم، اصلاح گران نباتات توانستند عملکرد بالائی از واریته‌های جدید به‌دست آورده و بدین‌ترتیب انقلاب سبز را به‌وجود آوردند. اما همزمان با افزایش جمعیت، این افزایش نتوانست کمبود موادغذائی را جبران کند لذا دانشمندان به تحقیق در این زمینه پرداختند. پیشرفت‌های جدید، زمینه‌های جدید را به‌وجود آورده که با کمک آن می‌توان از میکروارگانیزم برای تولید محصولات تجاری مقاومت شامل موادغذائی و دارو بهره گرفت.

به همین کیفیت، تکنیک‌هائی برای تشخیص بیماری‌ها، تولیدات شیمیائی بیولوژی و سوخت برای آینده مورد استفاده قرار گرفته است. مهندسی ژنتیک یکی از ابزارهای کارآمد بیوتکنولوژی می‌باشد که هدف از آن، شناخت ساختمان و کارآئی ژن تولید پروتئین و مواد اولیه مفید دیگر به‌وسیله روش‌های متداول که نوظهور و تولید گیاهان و حیوانات تراریخته با ویژگی مطلوب می‌باشد والبته باید توجه داشت که مهندسی ژنتیک با ژنتیک تفاوت داشته، بدین‌ترتیب که ژنتیک بیشتر یک علم است و به بررسی نحوه انتقال صفات از والدین به فرزندان می‌پردازد و از ابتدای قرن ۲۰ پس از کشف مجدد قوانین مندل به‌صورت یک علم است و به بررسی نحوه انتقال صفات از والدین به فرزندان می‌پردازد.

از ابتدای قرن ۲۰ پس از کشف مجدد قوانین مندل به‌صورت یک علم نوین ظهور کرد، اما مهندسی ژنتیک یک فناوری با یک تفکیک است که با استفاده از علوم مختلف طی دست‌ورزی یا دستکاری ژنتیکی موجودات زنده در سطح مولکول DNA تغییراتی در موجودات ایجاد می‌شود. مهندسی ژنتیک بخشی از بیوتکنولوژی مدرن امروزی است که از دهه ۸۰ میلادی به‌طور جدی مطرح شده است.

● پیدایش و تعریف بیولوژی

منشاء بیوتکنولوژی به دوران ماقبل تاریخ برمی‌گردد زمانی‌که از میکروارگانیزم‌ها برای فرآیندهائی همچون تخمیر، تولید ماست و پنیر از شیر تولید سرکه از ملاس تولید بوتانولو و استول از نشاسته توسط clostridium acetobutilycum و یا تولید آنتی‌بیوتیک‌هائی نظیر پنی‌سیلین از Penicilliumnotatum استفاده کرده‌اند. مع‌ذلک با کشف آنزیم‌های برشی در دهه ۱۹۷۰ بیوتکنولوژی پیشرفت قابل‌ملاحظه‌ای کرد و به ابداع فنون متنوعی در فرآوری ژن انجامید. به‌طوری که به‌عنوان مهمترین انقلاب علمی این قرن در نظر گرفته می‌شود. گرچه تکنولوژی در سال ۱۹۷۰ فراگیر شد اما نتایج اولیه آزمایشگاه آن فقط بعد از سال ۱۹۸۰ نمایان شد.

در واقع بیوتکنولوژی محصول تعامل بین علم بیولوژی و تکنولوژی است. به‌منظور تعاریف بیوتکنولوژی پیشنهاداتی ارائه شده است و محققین مختلف تفاسیر متفاوتی از این فناوری ارائه داده‌اند.

▪ مع‌ذالک تعاریف زیر به‌نظر مس‌رسد که مناسبترین تعاریف باشند:

۱) کاربرد علم مهندسی در استفاده مستقیم یا غیرمستقیم از موجودات زنده و یا اجزاء و تولیدات آنها در حالت طبیعی یا تغییریافته آن موجودات.

۲) استفاده تلفیقی. از علوم بیوشیمی میکروبیولوژی و مهندسی به‌منظور نایل شدن به استفاده صنعتی از قابلیت‌های میکروارگانیزم‌ها سلول‌های بافت کشت ده و اجزاء متعلق به آنها (فدراسیون بیوتکنولوژی اروپا).

۳) استفاده کنترل شده از عوامل بیولوژیکی از قبیل میکروارگانیزم‌ها با اجزاء سلولی برای استفاده مفید (فرهنگستان علوم ایالات متحده).

۴) تولید فرآورده‌ها از طریق فرآیند زیستی که مستلزم فنون مهندسی است (فرهنگستان علوم جمهوری اسلامی ایران)

یکی از مشکلات اصلاح نباتات کلاسیک و مرسوم این است که دامنه موجوداتی که امکان مبادله ژن در بین آنها وجود دارد، به‌دلیل موانع گونه‌ای شدیداً محدود است. فناوری جدید راهکار بهتری را برای کنترل و دست‌ورزی اهداف فراهم کرده‌اند و حصارهای خاص گونه‌ای مانعی بر سر راه آنها محسوب نمی‌شود. این فنون جایگزین اصلاح نباتات مرسوم نیستند بلکه با ایجاد روش‌های نوین دسترسی به اهدافی که با روش‌های مرسوم امکان‌پذیر نیست را ممکن می‌سازد.

● فواید بیوتکنولوژی

بیوتکنولوژی جبهه علمی هیجان‌انگیزی را در کشاورزی گشوده است. تکنیک‌های جدید حاصل از تکنولوژی در مقایسه، سریع، بسیار ویژه و در مصرف منابع کارآمد هستند. اکنون دیگر قدرت بیوتکنولوژی قدرتی تجلی نیست. در چند سال اخیر توانسته‌ایم آنچه را که تنها در فکر می‌گذشت به فعل درآوریم. به‌طور نمونه دانشمندان یاد گرفته‌اند که چگونه با تغییر ژنتیکی بعضی گیاهان مقاومت آنها را در برابر برخی علف‌کش‌ها افزایش دهد یا با استفاده از بیوتکنولوژی توانسته‌اند واکسن‌های مطمئن و کارآتری را علیه بیماری‌های ویروسی و باکتریائی نظیر هاری کاذب، اسهال و تب برفکی بسازند.

بیوتکنولوژی امروزه توانسته است بر روی ژن موجودات زنده کار کند و در جهت هدف‌های پیش‌بینی شده تغییراتی را ایجاد کند که از این منظر عبارت از دخالت مستقیم در محتوای اطلاعات وراثتی سلول‌های زنده و توفیق در تولید گونه‌های جدید و بهتر است.

روش‌های جدید تکنولوژی در علم کشاورزی شامل کشت سلولی، کشت بافت و پروتوپلاست گیاهی، هیبرید سلول‌ها سرومانی، دستکاری و انتقال جنین و DNA نوترکیب در شناسائی تبیین ماهیت انتقال و کنترل ژن است. دانشمندان بسیاری از این روش‌ها را برای بهینه‌سازی گیاهان و جانوران به‌کار برده‌اند. برای نمونه بیش از ۴۰ نوع گیاه از الحاق پروتوپلاست تولید شده است که سیب‌زمینی و گوجه‌فرنگی از جمله این نمونه‌ها به‌شمار می‌رود. کشت بافت به‌عنوان یکی از بنیادی‌ترین روش‌های فن‌آوری بیوتکنولوژی امروزه به‌صورت گسترده مورد استفاده دانشمندان قرار گرفته است.

طی این روش‌ها می‌توان از یک سانتی‌مترمکعب از بافت یا اندام گیاه، چندین میلیون سلول همانند تولید کرد و به‌طور بالقوه‌ای می‌توان از آنها میلیون‌ها بوته یا خواص یکسان به‌دست آورد. طی این شیوه، امکان مطالعه بهتر گیاه در کمترین زمان و با بیشترین ضریب اطمینان ممکن می‌باشد. برای نمونه در یک آزمایشگاه تحقیقاتی به‌نام ماکس پلانک (MAX PLANCK) در آلمان، ضمن آزمایشی معلوم شد که از میان ۴۲ هزار بافت سیب‌زمینی مورد آزمایش فقط ۷۳ بافت یعنی (۴ درصد بافت‌ها) در برابر قارچ سیب‌زمینی مقاوم بودند. بافت مقاوم تکثیر گردیده و گیاهان مقاوم به قارچ، سپس به مزرعه منتقل گردیدند.

(این شیوه دست‌یابی به گونه‌های مقاوم فقط در مدت ۸ ماه علمی گردید، رد صورتی‌که در سال‌های ۱۹۷۵ تا ۱۹۸۰ این کار از طریق روش‌های اصلاح نباتات حداقل ۱۰ تا ۱۵ سال زمان می‌طلبد. این کار در گیاهان دیگر از جمله نخل روغنی حداقل ۳۰ سال زمان نیاز دارد. در حال حاضر در کشورهای صنعتی، این شیوه بسیار رواج یافته و تحولات شگرفی در تولید گونه‌های گیاهان زراعی با خصوصیات جدید به‌وجود آمده است.

بیوتکنولوژی، روش‌های جدید بهینه‌سازی گیاهان به‌طور مقرون به صرفه و از طریق مختلف را ممکن ساخته است، که برای نمونه می‌توان به افزایش مقاومت در مقابل خطرات و بیماری‌ها، راه‌های جدید مبارزه با علف‌های هرز، مقاومت بیشتر در مقابل فشارهای جوی و محیطی از جمله خشکسالی، سرما و نمک و موادشیمیائی (مثل آلومینیوم)، استفاده بهتر از مواد مغذی مثل نیتروژن، بهبود کیفی فرآورده‌ها از طریق ایجاد تغییراتی در ویژگی‌های موادی مثل اسیدهای چرب، اسیدهای آمینه، طعم، مزه و قابلیت حفظ کیفیت به‌هنگام ذخیره‌سازی و بهبود در چگونگی متابولیسم گیاهی (مثل استفاده از نیتروژن فتوسنتز)، تولید گل و دانه و تقسیم موادغذائی بین ساقه و دانه اشاره نود.

● فواید مهندسی ژنتیک

در طول تاریخ کشاورزی، بشر از فرآیند طبیعی مبادله ژن در قالب اصلاح نباتات و به‌وجود آمدن تنوع خصایص بیولوژیکی استفاده نموده است. واقعیت فوق پشتوانه کلیه تلاش‌ها برای اصلاح گونه‌های کشاورزی، خواه از طریق اصلاح نباتات و دام به‌صورت سنتی و یا از طریق تکنیک‌های بیولوژیکی مولکولی بوده است. در این دو مورد، بشر برای تولید انواع گیاهان و جانورانی که دارای صفات و خصایص مطلوب باشند، مانند گیاهان مقاوم به بیماری‌ها و دام‌های خوراکی که در آنها نسبت به ماهیچه به چربی زیادتر است تلاش کرده است.

▪ دلیل اصلی و اولیه ایجاد مهندسی ژنتیک ناشی از رسیدن به اهداف سودمندی در علوم کاربردی، بهداشتی و پزشکی به‌شرح ذیل بوده است:

۱) شناخت ساختمان و کارآئی ژن

۲) تولید پروتئین‌های مفید و مواد اولیه دیگر به‌وسیله روش‌های نوظهور متداول

۳) تولید گیاهان و حیوانات ترار پخته با ویژگی‌های مطلوب

تفاوت عمده میان اصلاح نبات و دام به‌صورت سنتی است بیولوژیکی مولکولی انتقال ژن‌ها، نه در هدف‌‌‌هاست و نه در فرآیندها بلکه در سرعت، دقت، قابلیت اطمینان و دامنه کار قرار دارد. هرگاه متخصصان سنتی اصلاح دام و نباتات دو گیاه با دام دارای قابلیت جنسی را با یکدیگر آمیزش می‌دهند ده‌ها ژن با یکدیگر درهم می‌آمیزند. هر یک از والدین نیمی از ژنوم (یا مجموعه ژن‌های) خود را در قال ادغام سلولی تخم و اسپرم به نسل خود منتقل می‌کند، لیکن ترکیب آن نیمه در هر یک از سلول‌های جنسی والدینی و به تبع آن در هر آمیزش تفاوت می‌کند. قبل از وقوع ترکیبات مطلوب ژن‌ها و ایجاد صفات موردنظر در نسل بعد باید آمیزش زیادی صورت پذیرد.

با استفاده از روش‌های بیولوژیکی مولکولی و مطالعه تکثیر تک تک ژن‌ها می‌توان برخی از این مسائل را حل نمود. دانشمندان به‌جای اتکاء به ترکیب‌های متوالی تعداد متنابهی ژن برای کسب نتایج دلخواه می‌توانند هر ژن را به‌طور مجزا برای بررسی صفتی معین مستقیماً در ژنوم سلول تخم قرار دهند.

آنها نحوه تظاهر این ژن‌ها در رقم جدید گیاه یا دام را هم کنترل می‌کنند. خلاصه آنکه با تمرکز روی صنعت مطلوب می‌توان از طرق انتقال مولکولی ژن موردنظر مدت زمان لازم برای ایجاد ارقام جدید را کوتاه نمود. سطح دقت مطالعه را بالا برد. می‌توان با استفاده از این روش‌ها، ژن‌ها را میان گیاهان و یا جانورانی که از لحاظ جنسی قابل آمیزش نیستند مبادله نمود.

محمدرضا داوری

منابع

۱) اصفهانی؛ کسری، ۱۳۸۳، ویلاگ بیوتکنولوژی

۲) بی‌نام، ۱۳۸۲، محیط‌زیست، زیست ایمنی و مسائل مرتبط با مهندسی ژنتیک، روزنامه همشهری (سایت اینترنتی روزنامه همشهری)، شماره ۳۱۷۸.

۳) حجاران؛ احمد، ۱۳۷۷، بیوتکنولوژی کشاورزی، راهبردهائی در جهت بهبود رقابت، نشر آموزش کشاورزی.

۴) خداوردی؛ رسول، ۱۳۸۲، بیوتکنولوژی، فن‌آوری استراتژیک در کشاورزی نوین، پیام جهاد کشاورزی (خرداد ۱۳۸۲)، پایگاه اطلاع‌رسانی روابط عمومی وزارت جهاد کشاورزی

۵) ذاکری؛ حسین، علیرضا، موسوی و نادر نوروزی، ۱۳۸۰، فرهنگ بیوتکنولوژی کشاورزی و علوم وابسته، انتشارات دانشگاه ایلام.

۶) فارسی؛ محمد و جعفر، ذوالعلی، ۱۳۸۲، اصول بیوتکنولوژی گیاهی (ترجمه)، انتشارات دانشگاه فردوسی مشهد

۷) هاشمی؛ مسعود ۱۳۸۰، فرهنگ کشاورزی و منابع طبیعی، انتشارات فرهنگ جامع

۸) یزدی صمدی؛ بهمن و همکاران، ۱۳۷۷، فرهنگ کشاورزی و منابع طبیعی (جلد اول)، فرهنگستان جمهوری اسلامی ایران.

۹) Anonymous, ۲۰۰۱, Biology (MPB Basic Facts Series), mpb Publications India Limited, Delhi.

۱۰) Anonymous, ۲۰۰۱, Biology (MPB Basic Facts Series,) mpb Pubilications India Limited, Delhi.

---