- پروتئومیكس گیاهان جهش یافته و تراریخته
الكتروفورز دو بعدی میتواند روشی بسیار ارزشمند برای ارزیابی بیان پروتئین در گیاهان جهش یافته و تراریخته باشد كه در آن میتوان اثرات پلیوتروپی ژن و تاثیر آن بر بیان سایر ژنها را بررسی نمود. بدین ترتیب این امکان وجود دارد که به مکانیسم های مرتبط به فنوتیپ های مورد نظر دست یافت.
- پروتئومیكس بذر و میوه
مطالعه پروتئوم بذر با توجه به نقش آن در کیفیت محصول از اهمیت خاصی برخوردار است. در این زمینه می توان به مطالعات انجام شده بر روی پروتئوم بذر گندم اشاره نمود در حال حاضر پروژه های مختلفی در دنیا در زمینه شناسایی مکانیسم های کنترل کننده کیفیت، طعم و بوی میوها در جریان است. اطلاعات بیشتر در این زمینه می تواند به اصلاح نباتات کمک فراوانی نماید.
- پروتئومیكس میكروبی
پروتئومیكس به عنوان ابزاری برای شناسایی مكانیسمهای دخیل در تولید محصولات میكروبی مهم نظیر آنتیبیوتیكها بكار میرود. با شناسایی این مكانیسمها، این امكان وجود دارد كه با دستكاری ژنهای مهم و كلیدی، بتوان در جهت افزایش محصول، ژنها را دستكاری نمود. همچنین به جهت شناسایی مكانیسمهای مقاومت به شرایط بد محیطی نظیر شوری بسیار زیاد، مطالعات میكروبی میتواند بر اطلاعات ما در این زمینه بیافزاید. میكروبهای تولید كننده محصولات خوراكی نیز میتواند یكی دیگر از اهداف پروتئومیكس میكروبی باشد
.
- پروتئومیكس جانوری
در این زمینه مطالعاتی بر روی چند هدف متمركز شده است كه میتوان اهداف ده ساله پروتئومیكس را نیز به آن معطوف نمود.
مطالعه سمومی كه میتواند برای تولید واكسن نیز كمك نماید و یا ارزش تجاری بالایی دارد نظیر سموم عقرب یا مار، مطالعه كیفیت محصولات دامی از نظر پروتئینهای بیانكننده، شناسایی ماركرهای پروتئینی برای بیماریهای مهم دام
- پروتئومیكس محصولات باغی
به غیر از پروتئومیكس میوه كه قبلا" در مورد آن بحث گردید، مطالعه پروتئوم مواد غذایی باغی كه عامل ایجاد آلرژی میباشند میتواند نقش مهمی در شناسایی عوامل آلرژیزا داشته باشد. همچنین پروتئومیكس میتواند به عنوان ابزاری برای شناسایی مكانیسمهای مولكولی بیان محصولات باغی به تنشهای محیطی به كار رود. در كل به نظر میرسد كه پروتئومیكس میوه ( بررسی كیفیت) احتمالا" مهمترین بخش فعالیتهای كاربردی پروتئومیكس محصولات باغی باشد.
- بیوانفورماتیك
در زمینه بیوانفورماتیك در كشور مطالعات بسیار اندكی صورت گرفته است. آنچه به نام بیوانفورماتیك در ایران مرسوم است مسئله استفا ده از سایتهای جستجو و بسته های نرم افزاری مربوط به بیولوژی مولكولی است. لذا بدین جهت اطلاعات ارایه شده بسیار محدود و تنها در زمینه آنالیز كلاستر در بیان ژن یك ثبت وجود دارد. دیگر مطالب ارایه شده بیشتر جنبه مروری داشته تا تحقیقی و بدلیل كمبود محقق در این زمینه كاملا مطالب منتشره محدود و بدون داوری مناسب می باشد. در این زمینه كار های زیر قابل اشاره است.
- DNA computing
- شبیه سازی دی ان آ-كامپیوتر به كمك تكنیكهای بیوانفورماتیك و شبكه عصبی فازی
- Perl پل ارتباطی كامپیوتر-بیوتكنولوژی
- كاربرد كامپیوتر در بیوتكنولوژی
- آنالیز كلاستر الگوی بیان ژنهای پاسخگو به شوری
- ابزارهای بیوانفورماتیك و راهنمای طراحی پرایمر در تكنیكهای مبتنی بر PCR
- كاربرد سیستمهای چند عاملی در بیوانفورماتیك
و. بیوتكنولوژی و كاربرد آن در جنگلها و مراتع
اكثر كاربردهای بیوتكنولوژی در خصوص گیاهان زراعی و باغی، در مورد منابع طبیعی و جنگلها و مراتع نیز كاربرد دارند، كه از آن قبیل می توان به استفاده از نشانگرهای مولكولی در شناسایی تنوع و شناسنامه دار كردن گونه های بومی، كشت بافت و تولید متابولیت های ثانویه، استفاده از تكنیكهای ژنومیكس و پروتئومیكس در اصلاح این قبیل درختان و همچنین مهندسی ژنتیك آنها برای مقاومت به آفات و بیماری ها و تنش های غیر زیستی اشاره نمود.
ز. مهندسی ژنتیك و اهمیت آن در كشاورزی:
مقدمه
در طول تاریخ اصلاح نباتات، به منظور ایجاد تركیبات جدید ژنتیكی جهت اصلاح ارقام زراعی، همواره از فناوری های جدید بهره گرفته شده است. این فناوریها شامل: دستورزی مصنوعی تعداد كروموزوم و ایجاد لاین های جدید دارای كروموزوم های خاص، استفاده از تیمار های شیمیایی و تابشی جهت القای جهش و نوآرایی های كروموزومی، روش های كشت سلول و بافت (مانند نجات جنین[1]، تولید درون شیشه ای و الحاق پروتوپلاستی جهت ایجاد هیبرید های بین گونه ای و بین جنسی) می باشد. تمامی این روشها سعی داشته اند كه با اصلاح ژنتیكی، محصولات را به منظور سازش های محیطی، مقاومت به آفات و بیماریها و كیفیت خاص مورد تقاضای كشاورزان، صنایع و مصرف كنندگان تغییر دهند.
تا چند دهه قبل، اصلاح نباتات تنها با استفاده از روش های سنتی انجام می گرفت كه در زمان خود روشی بسیار كارآمد بوده و امروزه هم در برخی موارد بسیار كارا می باشد. اما با افزایش روز افزون جمعیت، به منظور دستیابی سریع به ارقام جدید نیاز به روش های اصلاحی جدید بیش از پیش احساس می شود. جمعیت جهان در سال 2000 میلادی به بیش از 6 میلیارد نفر رسید و تصور می شود در سال 2025 میلادی تقریباً به 5/8 میلیارد نفر برسد. بنابراین، برای تأمین نیاز های غذائی این جمعیت در حال افزایش، میزان تولید غذا در سال 2025 میلادی باید 50% افزایش پیدا كند. لذا نیاز به ارقام زراعی با تولید بالاتر، بیش از پیش احساس می شود. در طی چند دهه گذشته پیشرفت های بسیاری در زمینه افزایش تولید محصولات در سراسر جهان صورت گرفته است. آنچه مسلم است، بهره گیری از علوم و فناوری های جدید در جهت رفع نیازهای بشری همواره مورد توجه بشر بوده است. در این راستا، استفاده از روش های نوین (مانند بیوتکنولوژی) كه باعث كاهش زمان دستیابی به اهداف مورد نظر می شوند، در عرصه کشاورزی می تواند کمک فراوانی به حل مشکلات کشاورزی سنتی و نیازهای غذایی جامعه بشری بنماید.
پیشرفت های علمی در بیولوژی سلولی و مولكولی امروزه در اوج خود در مهندسی ژنتیك نمود پیدا كرده است. زیست فناوری یا زیست فناوری مدرن با استفاده از روش های نوین مهندسی ژنتیك تحولی عظیم در كشاورزی، پزشكی، صنایع غذائی، صنعت و ... فراهم كرده است. در كشور های پیشرفته و كشور های در حال توسعه سالانه میلیاردها دلار صرف این فناوری می شود كه در قبال این سرمایه گذاری سود فراوانی نصیب این كشورها می شود. در كشور ما هم تحقیقات گسترده ای در دانشگاهها، مراكز و موسسات تحقیقاتی در این زمینه در حال انجام است كه در برخی موارد پیشرفت های چشمگیر و كم نظیری داشته است.
پیشرفت های جدید در زمینه زیست شناسی سلولی و مولكولی راهی نوین در زمینه تولید گیاهان تراریخته[2] فراهم كرده است. این محصولات كه به محصولات زراعی تغییر ژنتیك یافته(GM Crops)[3] یا تراریخته معروفند به سرعت در حال گسترش هستند. گیاهان تراریخته بطور كلی به گیاهانی اطلاق می شوند كه با استفاده از روش های نوین مهندسی ژنتیك، ژن یا ژن هایی را از سایر منابع ژنتیكی (باكتریها، جانوران، انسان و سایر گیاهان) دریافت کرده اند. این گیاهان معمولاً با اهدافی مانند افزایش مقاومت به آفات و بیماریها، افزایش مقاومت به تنش های غیر زیستی مانند خشكی، شوری، سرما، بهبود كیفیت غذائی، افزایش تولید محصول، تولید واكسنها و آنتی بادی های گیاهی، افزایش تولید متابولیت های خاص و ... ایجاد شده اند. مهندسی ژنتیك امكاناتی را فراهم كرده است كه تا قبل از ظهور آن شاید تصور آن هم ممكن نبوده است. شاید یكی از دلایل نگرانی عامه مردم از موجودات حاصل از مهندسی ژنتیك همین امر باشد. چون محققان در عرض چند سال به فناوری ای دست پیدا كرده بودند كه می توانستند ژنها را از هر موجودی به موجود مورد نظر خود منتقل نمایند و پذیرش این امر چندان ساده نبود كه افراد از فراورده هائی استفاده كنند كه ژنی از باكتری یا جانور در آن وجود داشته باشد. شاید هم در بین عموم تصوراتی نه چندان منطقی و درست وجود داشته باشد که با انتقال ژن باكتری به گیاه خاصیت بیماری زائی یا سایر خصوصیات آن هم به گیاه منتقل می شود. در حالی كه در اغلب موارد چنین تصوراتی نادرست بوده و بیشتر به دلیل نا آگاهی و یا اطلاع نادرست از این فناوری به ذهن خطور می نماید.
كاربرد های مهندسی ژنتیك در كشاورزی
مهندسی ژنتیك كشاورزی امروزه گسترش زیادی یافته و جنبه های كاربردی فراوانی پیدا نموده است و پیش بینی می شود كه در سال های آینده كاربرد های جدیدی هم پیدا كند. در ادامه برخی از جنبه های كاربردی مهندسی ژنتیك در زمینه علوم گیاهی و كشاورزی به اختصار معرفی می شود.
گیاهان مقاوم به آفات و بیماریها
یكی از چالشهائی كه كشاورزان همواره با آن مواجه اند خسارت ناشی از آفات و بیماریها بر تولیدات كشاورزی می باشد. روش مرسوم مبارزه با این عوامل خسارت زا استفاده از سموم شیمیائی است. این روشها ضمن اینكه هزینه فراوانی بر كشاورز تحمیل می كنند صدمات جبران ناپذیری هم بر محیط زیست وارد می نمایند. در ضمن كارائی استفاده از این مواد شیمیایی نیز به دلیل ایجاد مقاومت حشرات در برابر سموم به مرور پایین آمده و به همین خاطر نیاز به تعویض مكرر این آفتكشها وجود دارد.
امروزه با استفاده از مهندسی ژنتیك، ژن های مقاومت به آفات و بیماریها از منابع ژنتیكی مختلف جدا شده و به گیاهان منتقل شده اند. بدین ترتیب ضمن افزایش مقاومت گیاهان در مقابل آفات و بیماریها از خطرات زیست محیطی ناشی از مصرف بی رویه سموم شیمیائی هم كاسته شده است. از جمله مهمترین این محصولات می توان به پنبه و ذرت مقاوم به آفات اشاره نمود كه با دریافت ژن مقاومت از یك باكتری خاكزی بنام باسیلوس تورینجینسیس (Bt)[4] در مقابل آفاتی مانند كرم غوزه پنبه و كرم ساقه خوار ذرت مقاوم شده اند. این محصولات جدید كه به محصولات بی تی[5] معروفند امروزه سطح وسیعی از مزارع دنیا را به خود اختصاص داده و بسرعت در حال گسترش هستند. البته گیاهان دیگری مانند سیب زمینی، برنج، كلزا و ... مقاوم به آفت هم تولید شده اند.
بیماری های ویروسی و قارچی هم از جمله عواملی هستند كه ضمن ایجاد خسارت به محصولات كشاورزی مانع كشت آنها در بسیاری از شرایط آب و هوائی میشوند. با وارد كردن برخی ژن های گیاهان مقاوم به گیاهان حساس مانند ژن های كیتنیاز و 1 و 3 بتا-گلوكاناز كه باعث تخریب دیواره پلیساكاریدی قارچ های بیماریزا میشوند زیست فناوری ستها به گیاهانی دست یافتهاند كه مقاوم به قارچ های بیماریزا میباشند.
همچنین با وارد كردن ژن های مربوط به پروتئین های پوششی ویروسها به گیاهان امكان تولید گیاهان مقاوم به ویروس نیز فراهم شده است. روش های مبارزه بیولوژیك بسیار متعدد و متنوع بوده و موارد بالا تنها مثالهائی از این دست میباشند.
گیاهان مقاوم به علفكش
روش های رایج مبارزه با علف های هرز چندان انتخابی نیست و علفكشها در موارد زیادی علاوه بر نابودی علفها به گیاهان زراعی نیز آسیب میرسانند. به عنوان مثال، گلیفوسیت[6] كه یك علفكش با كارایی بالاست، میتواند گیاهانی كه دارای مسیر متابولیكی شیكیمات هستند را نیز نابود كند. به همین منظور دانشمندان مهندسی ژنتیك با وارد كردن ژن مقاومت به گلیفوسیت (EPSP سنتتاز) به گیاهانی مانند چغندرقند، سویا، پنبه، گوجهفرنگی و تنباكو آنها را در برابر علفكشها مقاوم كردهاند. از مهمترین گیاهان تراریخته مقاوم به علف كش كه امروزه سطح وسیعی از زمین های زراعی را به خود اختصاص داده اند می توان به سویا و كلزا و ذرت و پنبه مقاوم به علف كش اشاره نمود.
گیاهان متحمل به تنش های غیر زیستی
تنش های غیر زیستی از جمله خشكی، شوری و سرما اولین عامل كاهش محصول در دنیا بوده و در اغلب محصولات مهم زراعی باعث كاهش شدید تولید می شود (Bray و همكاران، 2000). خشكی و شوری در بسیاری از مناطق مشاهده می شود و پیش بینی می شود كه تا سال 2050 بیش از 50% زمین های قابل كشت دچار مشكل شوری شوند.
با وجودی كه در حال حاضر غذای كافی برای جمعیت جهان وجود دارد ولی باز هم بیش از 800 میلیون نفر در جهان دچار سوء تغذیه و فقر غذائی هستند. رشد 50 درصدی جمعیت انسانی از سال 2001 تا سال 2050 به این معنی است كه اگر هدف ایجاد امنیت غذائی برای مردم ، به طور جدی دنبال شود می بایست میزان تولیدات محصولات كشاورزی نیز بیش از 50 درصد افزایش یابد.
با توجه به پیچیدگی صفت مقاومت به تنش های غیر زیستی در گیاهان، استفاده از روش های مهندسی ژنتیك یكی از گزینه های موجود جهت افزایش تحمل گیاهان به این تنشها می باشد. ژن های متعددی جهت تولید گیاهان متحمل به شوری به كار گرفته شده اند كه در بسیاری از موارد موفقیت های چشمگیری هم داشته است. در این راستا محصولاتی مانند برنج، گندم، ذرت و ... به منظور افزایش مقاومت به تنش های شوری، خشكی و سرما با استفاده از ژن های مختلفی تراریخته شده اند.
گیاهان تراریخته و محیط زیست
از گیاهان تراریخته می توان به منظور پاكسازی زمینها از آلودگی های طبیعی یا مصنوعی[7] حاصل از فعالیت های صنعتی یا سایر فعالیتها بهره گرفت. ازجمله این موارد می توان از صنوبر زرد (Liriodenedron tulipifera) مقاوم به یون های جیوه، خردل متحمل به كادمیوم، توتون با قدرت حذف آلودگی های هیدروكربنی و درختانی كه با افزایش بیان نیترات ردوكتاز قادر به پاكسازی اكسید های نیتروژن موجود در مناطق شهری هستند، اشاره نمود.
زیست توده[8] و سوخت
استفاده از درختان سریع الرشد (مانند صنوبر و اوكالیپتوس) به عنوان منبع تغذیه مراكز تولید انرژی و یا تولید سایر سوختها مانند اتانول هم از جمله کاربردهای بیوتکنولوژی در صنعت می باشد. از جمله این موارد می توان از گیاهانی نام برد كه ژن های سلولز سنتاز را در خود بیان می كنند و یا با بیان ژن های سلولاز با عث تبدیل سلولز به اتانول می شوند. البته در صنایع كاغذ سازی هم با هدف سهولت تهیه خمیر كاغذ، دست به تغییرات ژنتیكی درختان زده اند.
تولید پلاستیك های تخریب پذیر
در چند سال گذشته توجه زیادی به مسئله استفاده از گیاهان برای تولید تركیبات پلیمری مانند كربوهیدراتها و پلاستیك های زیست تخریب پذیر صورت گرفته است. از تركیبات دسته اول می توان از شیرین كننده های غیر كالریزا مانند فروكتان هائی كه امروزه در رقم چغندر قند تراریخته تولید می شوند، نام برد. از گروه دوم می توان به پلی هیدروكسی آلكانونها (PHA) (پلی استر های 3- هیدروكسی اسیدها) اشاره نمود. اولین PHA تولید شده در گیاهان، هوموپلیمر پلی هیدروكسی بوتیرات (PHB) (تركیبی مشتق از استیل كوا) می باشد كه در چند اندامك سلولی مانند سیتوپلاسم، پلاستیدها و پراكسی زومها تولید می شود. شركت مونسانتو هم گیاهان كلزای تراریخته ای تولید كرده است كه PHB را در لوكوپلاست های جنین های در حال تشكیل به میزان بیش از 8% وزن خشك بذر رسیده تولید می نماید. تولید این پلیمر در پنبه و ذرت هم صورت گرفته است.
تولید ترپنوئیدها
اسانسها از جمله تركیبات ارزشمند مشتق شده از گیاهان هستند كه در چاشنی، تولید عطر و پزشكی مورد استفاده می باشند. كیفیت معطر بودن آنها مربوط به مونوترپنها و تا حدی سزكوئی ترپنها (هردو از گروه تركیبات ایزوپرنوئیدی با ساختمان های متفاوت هستند) می باشد. ارزش تجاری بالای این تركیبات برای فراورده های خام آنها حدود 160 میلیون دلار است كه می تواند در نتیجه فراوری مشتقات حاصل از آن به 5/5 میلیارد دلار برسد. اطلاعات كمی در زمینه كنترل ژنتیكی مسیر های متابولیكی این تركیبات وجود دارد اما بسیاری از ژن های این مسیر شناسائی شده اند. تغییر مسیر های بیوسنتزی این تركیبات به منظور تولید گروه خاصی از آنها و همچنین افزایش تراكم کرک های غده ای (تولید كننده این تركیبات) در برخی از گیاهان از اهداف مهندسی ژنتیك در این زمینه است. بنابراین، در آینده نزدیك گستره ای از فراورده های تراریخته ایجاد خواهند شد كه واجد تركیبات مورد نظر بوده ویا فاقد تركیبات ناخواسته خواهند بود.
مصارف خانگی
ازجمله محصولات غیر غذائی كه مهندسی ژنتیك در آن زمینه وارد عمل شده و احتمالاً جالب ترین آنها، پنبه است. جدای از ارقام مقاوم به علف كش و آفات كه امروزه بطور گسترده ای در بسیاری از كشورها زیر كشت هستند، تحقیقات دیگری هم در این گیاه در دست انجام است. از جمله این موارد می توان به تولید فیبر های رنگی با وارد كردن ژن های مربوطه تحت كنترل پیشبر اختصاصی فیبر و همچنین سنتز پلاستیك هائی مانند پلی هیدروكسی بوتیرات در این سلولها اشاره نمود. فیبر های رنگی، نیاز به رنگ آمیزی پنبه را كه فرایندی مخرب برای محیط زیست است برطرف می كند. فیبر های حاوی پلاستیك هم ویژگی های دمائی (گرمائی) را با افزایش حفظ گرما و كاهش هدایت گرمائی بهبود می بخشد و می تواند در عایق سازی البسه بكار گرفته شود.
گیاهان باغی/زینتی
اگرچه گل های تراریخته از سال 1996 بطور تجاری در دسترس قرار گرفته اند، ولی این زمینه از تولید گیاهان تراریخته اغلب نادیده گرفته شده است. اولین نوع از این گیاهان یك نوع میخك ارغوانی[9] است كه با وارد كردن ژن های رمز كننده فلاونوئید 3، 5- هیدروكسیلاز و دی هیدرو فلاونول 4- ردوكتاز به ارقام میخك سفید بدست آمده است. این واریته تراریخته جدید نسبت به نوع سفید رنگ، دلفنیدین بیشتری دارد. علاوه بر این، میخك هائی با طول عمر بیشتر (با تنظیم كاهشی[10] آنتی سنس یك ژن بیوسنتز كننده اتیلن) هم ایجاد شده اند. تولید اولین رز آبی در دنیا با القای تولید دلفنیدین در این گیاه هم اخیراً تحقق یافته است. تحقیقات بسیاری در این زمینه در حال انجام است و امید می رود كه در آینده نزدیك گل هائی با رنگ های متنوع به بازار عرضه گردند.
غذا و نوشیدنی ها
تركیبات پروتئینی: تغییر كیفیت پروتئینی یك محصول می تواند با تغییر تركیب آمینو اسیدی پروتئین به منظور بهبود ارزش آن و یا با افزودن كامل یك پروتئین جدید (با تنظیم پائین دستی پروتئین موجود) حاصل شود. به عنوان مثال می توان از افزایش مقدار آمینواسید های ضروری مانند متیونین در سیب زمینی و تغییر فعالیت پروتئین گلایسینین سویا نام برد. از طرف دیگر می دانیم كه كیفیت پخت نان هم تا حد زیادی به نوع زیر واحد های گلوتنین با وزن مولكولی بالای موجود در آرد بستگی دارد. این پروتئینها در قدرت و انعطاف پذیری خمیر نقش دارند. دانه های یك رقم گندم حاوی 4-5 زیر واحد پروتئینی است. امروزه مشخص شده كه دستورزی این زیر واحدها در گیاهان تراریخته امكان پذیر بوده و می تواند كیفیت پخت را بهبود بخشد. احتمالاً بهترین مثال از این دست اضافه كردن زیر واحدها به ارقامی است كه بطور طبیعی تنها دو زیر واحد دارند.
یكی از جالبترین استفاده های گیاهان تراریخته برای تغذیه انسان بیان پروتئین های مختلف شیر انسان در گیاهان خوراكی می باشد. برای مثال، مشخص شده است كه ژن رمز كننده بتا كازئین می تواند تحت كنترل یك پیشبر القا شونده بوسیله اكسین وارد سیب زمینی شود و پروتئین انسانی در برگها و غده های گیاهان تراریخته با مقدار 01/0 % پروتئین محلول قابل شناسائی می باشد. بطور مشابه، پروتئین های آلفا لاكتالبومین و لاكتوفرین انسانی در گیاهان توتون تراریخته بیان شده اند. این یافته مبنائی برای بازسازی شیر انسان در گیاهان به عنوان جایگزین شیر گاو در غذای بچه بكار رفته است و جهت بهبود تغذیه نوزادان یا برای جلوگیری از بیماری های معده و روده ای در بچه ها كارائی خواهد داشت. به علاوه، لاكتوفرین یك پروتئین چندكاره می باشد و تصور می شود كه خواص ضد باكتریائی، ضد قارچی و ضد ویروسی داشته باشد. همچنین جلوگیری از رشد سلول های پستانی، كاهش تجمع پلاكتها، تحریك رشد لمفوسیت، تحریك تولید سیتوكین[11]، افزایش سیستم ایمنی بدن و ... را هم می توان نام برد.
نشاسته و روغن: پیشرفت در زمینه فزایش كیفیت غذایی از طریق محتویات نشاسته و روغن با امكان انشعاب دهی اختصاصی در كربوهیدراتها و تغییر اشباع شدگی و طول زنجیر در روغنها و لیپیدها نیز بدست آمده است. برخی از این ارقام تراریخته روغن های خاصی جهت مصارف صنعتی در پاك كننده ها (زداینده ها) و روان كننده ها[12] تولید می كنند كه بزودی تجاری خواهند شد. بعلاوه روغن های با ارزش بالا و دارای فواید بهداشتی امروزه می تواند به مقدار قابل توجهی در گیاهان هترولوگ تولید شود.
ویتامینها: گرچه كمبود ویتامین در كشور های پیشرفته موضوعی نادر است ولی هنوز تعداد زیادی از مردم كشور های در حال توسعه در جیره غذائی خود مواد ویتامینی و ریز مغذی كافی ندارند. برای مثال برآورد شده كه بیش از 124 میلیون بچه در سراسر دنیا دچار كمبود ویتامین A (كارتنوئید) هستند و اصلاح جیره غذائی آنها از نظر این ویتامین می تواند از مرگ 3/1 تا 5/2 میلیون نوزاد و بچه پیش دبستانی جلوگیری نماید. یك راه حل جهت این موضوع وارد كردن ژن psy (رمز كننده آنزیم فیتوئن سنتاز) به محصولاتی است كه دارای كمبود ویتامین A هستند. این آنزیم در تبدیل مولكول های ژرانیل ژرانیل دی فسفات به فیتوئن نقش دارد كه خود پیش ماده لیكوپن بوده و خود این ماده به كارتنوئید تبدیل می شود. این امر با انتقال ژن psy نرگس زرد به برنج كه منجر به انباشتگی پیش ویتامین A در اندوسپرم گردیده است، محقق گردید. تولید برنج طلائی[13] می تواند گامی در جهت رفع کمبود ویتامین A و پیشگیری از بیماریهای ناشی از آن در کشورهای فقیر دنیا باشد. شناخت مسیر بیوسنتزی ویتامین C هم ایده تولید بیشتر آنرا در گیاهان ایجاد نموده است. برای مثال تصور می شود كه سطح این ویتامین با بیان ژن رمز كننده آنزیم L- گالاكتونو آلفا لاكتون دهیدروژناز افزایش پیدا كند.
ریز مغذیها: از ریز مغذی هائی كه عموماً در جیره غذائی دچار كمبود هستند، می توان از آهن نام برد. طبق برآورد انجام شده این كمبود در 30% جمعیت جهان خصوصاً در مناطقی كه جیره غذائی غالب منشأ گیاهی دارند، وجود دارد. گرچه احتمال افزایش مقدار آهن محصولات با غنی سازی خاك وجود دارد ولی این روش هم هزینه بر بوده و هم اینکه روش نادرستی می باشد. روش دیگر وارد كردن ژن رمز كننده فریتین سویا (یك پروتئین ذخیره ای آهن) می باشد. وقتی این ژن تحت كنترل یك پیشبر پروتئین ذخیره ای بذر برنج باشد، میزان آهن در اندوسپرم بذر های تراریخته سه برابر نمونه های كنترل افزایش پیدا می كند.
مواد آلرژی زا/ سموم: امكان استفاده از روش های انتقال ژن جهت كاهش میزان مواد آلرژی زا در مواد غذائی با كاهش موفقیت آمیز پروتئین 14-16 كیلودالتونی آلرژی زا در برنج به اثبات رسیده است. روش های مشابهی هم امروزه جهت كاهش میزان یك یا چند پروتئین آلرژی زا (مانند AraH1) در بادام زمینی ارائه شده است. احتمال موفقیت این روش امروزه به علت آنالیز دقیق نواحی خاص آلرژی زا در پروتئین، ارتباط آن با سایر پروتئین های ذخیره ای و گسترش تكنیك های تراریختی مناسب برای این محصولات افزایش یافته است.
در طی تاریخ طولانی اصلاح نباتات، دستیابی به ارقام لذیذتر همواره با روش انتخاب صورت گرفته است كه در واقع راهی ساده جهت اجتناب از تركیبات با خواص خطرناك است. از جمله این مواد می توان به كافئین اشاره نمود. فروش نوشیدنی های بدون كافئین بازار خوبی خواهد داشت. امروزه مشخص شده است كه تنظیم كاهشی آنتی سنس گزانتوزین N7- متیل ترانسفراز می تواند برای كاهش میزان كافئین در قهوه تراریخته مورد استفاده قرار گیرد.
سایر افزودنیها: علاوه بر قند های غیر كالری زا مانند فروكتانها، ژن های مربوط به سایر قند- پروتئینها مانند مونلین، مابینلین و تاوماتین هم به منظور بهبود مزه میوه ها و سبزیجات به محصولات كشاورزی منتقل شده اند. می توان پیش بینی نمود كه تركیبات دیگری كه در این زمینه دچار دست ورزی قرار خواهند گرفت، شامل تركیبات شیرین کننده و القا كننده شیرینی مانند گلیكوزید های اولئان (استروژینها) جدا شده از برگ های Staurogyne merguensis باشد. تغییر سایر تركیبات طعم دهنده اختصاصی می تواند با تغییر تركیباتی كه میزان الكل دهیدروژناز را تغییر دهند، صورت پذیرد.
كاربرد های پزشكی و دامپزشكی
پیشرفت های اخیر در زمینه زیست شناسی مولكولی و زیست فناوری گیاهی، مفهوم "محصولات زراعی به عنوان منبع غذائی" را به "بیوراكتور تولید پروتئین های درمانی نوتركیب" تغییر داده است. گیاهان می توانند به عنوان كارخانه های تولید دارو عمل نمایند؛ چون می توانند به صورت بسیار ایمن و ارزان، مقادیر نامحدودی از پروتئین های نوتركیب تولید نمایند. در دو دهه گذشته، سیستم های گیاهی به منظور تولید آنتی بادی های مونوكلونال جهت ایمن سازی در مقابل بیماری های باكتریائی مورد استفاده قرار گرفته اند. این زمینه از كار یكی از وسیعترین زمینه های تحقیقاتی است كه در حال حاضر شركت های متعددی مشغول ارزیابی مزایای اقتصادی تولید واكسنها و سایر تركیبات داروئی در گیاهان هستند. شاید شناخته شده ترین مطالعه در زمینه فواید آنتی بادیها و آنتی ژن های مشتق از گیاه در سلامت انسان تحقیقی است كه در زمینه Streptococcus mutans (عامل اصلی پوسیدگی دندان) صورت گرفته است. انتقال ژن spaA یا آنتی ژن استرپتوكوكوسی I/II به توتون باعث شده كه میزان بیان آن به بیش از 02/0% پروتئین كل برگ برسد.
در تمام مطالعاتی كه در زمینه استفاده از این گلیكوپروتئین های نوتركیب مشتق از گیاهان برای اهداف درمانی مورد انجام شده است، میزان و نوع گلیكان هائی كه در گلیكوپروتئین های پستانداران تولید می شود با گیاهان تفاوت دارد. تولید گیاهان سیب زمینی تراریخته واجد ژن انسولین انسانی، واكسن هپاتیت و ... از جمله دیگر جنبه های كاربردی گیاهان تراریخته در تولید تركیبات داروئی و درمانی می باشد.
اخیراً یك آنتی بادی مونو كلونال نوتركیب برای Rabis prophlanis (عامل بیماری هاری) در گیاهان تراریخته تولید شده است. اپیدمی ویروس هاری در دنیا هنوز یك موضوع حاد می باشد و به دلیل كمبود و قیمت بالای آنتی بادی های پروفیلاكتیك مانند HRIG با مشكل مواجه است. تولید انبوه موفق این آنتی بادی مونوكلونال در گیاهان می تواند در رفع این مشكل كمك فراوانی نماید.
همچنین تولید دام های ترانسژنیك كه دارای خصوصیات ویژ های مانند تولید شیر زیاد یا گوشت كمچربی و... هستند، تولید جانورانی كه به عنوان كارخانه تولید آنتیبادی و واكسن و دارو عمل كنند و تولید ماهیها و سایر دامهائی كه سرعت رشد بالائی دارند، هم از موارد دیگر كاربرد مهندسی ژنتیك در علوم كشاورزی و دامی می باشد.
ر. بیوتكنولوژی میكروبی در كشاورزی
همانطور كه مشخص است بیوتكنولوژی مجموعه از روش ها و ابزارها می باشد كه با استفاده از فرایند های سلولی و مولكولی موجودات زنده بدنبال رفع مشكلات بشر و یا تولید فراورده های مهم می باشد. بیوتكنولوژی میكروبی با استفاده از خصویات میكروبها در تولید، فرایند سازی و یا تجزیه مواد مفید نقش گسنرده ای داشته و كاربرد بسیار وسیعی در صنعت، كشاورزی، پزشكی و پاكسازی محیط از آلاینده ها دارد. ازمهمترین كاربردهای بیوتكنولوژی میكروبی در زندگی بشر می توان به فواید آن در كشاورزی اشاره نمود كه از آن جمله می توان به شناسایی مولكولی عوامل میكروبی مفید و مضر در كشاورزی و بررسی نحوه زندگی و مكانیسم عمل آنها و همچنین جداسازی ژن های مهم از آنها، تولید حشره كش های بیولوژیك (كنترل بیولوژیك آفات) ، علف كش های بیولوژیك ، تولید عوامل بیولوژیك كنترل كننده قارچ ها و باكتری های بیماری زای گیاهی، تولید كودهای بیولوژیك، افزایش تثبیت ازت در گیاهان، تولید آنزیم های صنعتی و فراورده های مهم از ضایعات كشاورزی، تولید میكروارگانیسم ها و گیاهان تراریخته با استفاده از ژن های جداسازی شده از میكروارگانیزم ها، استفاده از انها و یا مشتقات آنها در تحقیقات مهندسی ژنتیك به عنوان میزبان و ناقلین همسانه سازی، تولید بیوفیلم ها، تولید و فرایند سازی تركیبات با ارزش مثل متابولیت ها، ویتامین ها، پروتئین ها، واكسن ها و پلی ساكاریدها، استفاده از میكروب های پروبیوتیك در غنی سازی مواد غذایی و پاكسازی محیط از آلاینده های محیطی نام برد. با جرات می توان گفت كه بیشترین تعداد كمپانی های فعال در زمینه بیوتكنولوژی در حال حاضر در زمینه بیوتكنولوژی میكروبی فعالیت دارند كه شاید تعداد آنها در دنیا به هزاران عدد برسد.
یکی از منابع اصلی تولید محصولات بیوتکنولوژی، بیومس میکروبی می باشد. بیومس، در واقع به تودهای از سلولهای میکروبی اطلاق میگردد که برای کاربردهای مختلف تکثیر میشوند. از جمله کاربردهای بارز بیومس میکروبی، میتوان به استفاده از آنها بهعنوان آفتکشها و کودهای بیولوژیک اشاره نمود. بر اساس پیش بینی ها، در نیمه اول قرن بیست و یکم، بیش از 30 درصد نیاز جهانی به سوختها و ترکیبات بیولوژیک گوناگون با ارزش حدود 150 میلیارد دلار، به کمک بیومس میکروبی تولید خواهد شد. یکی از مهمترین انواع آفتکشهای بیولوژیک جهان، بیومس حاصل از نوعی باکتری موسوم به Bacillus thuringiensis می باشد. صنایع تخمیری که طیف وسیعی از حوزههای مرتبط با میکروارگانیسمها و بیوتکنولوژی را در برمیگیرند از قدیمیترین شاخههای فناوری زیستی بهشمار میآیند. الکلها، آنتیبیوتیکها، اسیدهای آلی، آنزیمها و بسیاری از ترکیبات مورد استفاده در صنایع غذایی، دارویی و غیره بخشی از محصولات با ارزش تولید شده در این صنعت را تشکیل میدهند. پیشبینی میشود میزان فروش آنزیمهای صنعتی تا سال 2008 به 3 میلیارد دلار بالغ گردد.
در حال حاضر، با استفاده از میکروارگانیسمها و روشهای بیوتکنولوژی، سالانه بیش از 270000 تن اسید سیتریک به ارزش حدود 4/1 میلیارد دلار در جهان تولید میشود که بخش اعظم آن در صنایع غذایی به مصرف میرسد. اعداد و ارقام بالا اهمیت بالای بیوتكنولوژی میكروبی را در دنیا نشان می دهد. از دلایل مهم اهمیت میكروب ها در بیوتكنولوژی و تولید فراورده های بیولوژیك می توان به بالا بودن سرعت رشد آنها، ایمن بودن و قابل كنترل بودن فرمنتاسیون آنها، قدرت بالای آنها در تولید بیومس، سازگاری آنها با شرایط محیطی مختلف، ارزان بودن تولید آنها، و قابلیت بالای خالص سازی پروتئین های نوتركیب در آنها اشاره نمود.
در بیوتكنولوژی میكروبی مدرن سه روش اصلی در اصلاح میكروارگانیزم ها در سال های اخیر مورد استفاده قرار گرفته است. روش قدیمی تر روش موتاسیون زایی تصادفی و هدایت شده می باشد كه سال هاست مورد استفاده قرار گزفته و میكروارگانیزم های با پتانسیل بالای تولید ایجاد شده است. روش دیگر امتزاج پروتوپلاست می باشد كه طی آن میكروارگانیزم ها با خصوصیات متفاوت با هم امتزاج یافته و میكروارگانیزم با قابلیت تولید بالاتر انتخاب می شود. روش سوم كه جدید ترین روش می باشد و تقریبا بیوتكنولوژی میكروبی مدرن با این نام شناخته شده است روش های مهندسی ژنتیك می باشد كه طی آن ژن های مهم به میكروارگانیزم ها منتقل شده و تولید فراورده جدید را در آنها تحریك میكنند ویا اینكه فراورده های موجود در میكروارگانیزم را افزایش می دهند. جنبه های دیگر در بیوتكنولوژی میكروبی مدرن استفاده از علوم ژنومیكس فانكشنال، متابولومیكس و پروتئومیكس برا ی شناسایی دقیق مراحل متابولیكی تولید محصولات در میكروب ها و عوامل موثر در میزان تولید آنها و ایجاد فرمولاسیون های مناسب برای افزایش كیفی و كمی محصولات تولیدی می باشند.
در كشور ما در زمینه بیوتكنولوژی میكروبی در چند ساله اخیر قدم هایی برداشته شده كه بیشتر در زمینه جداسازی و شناسایی عوامل مفید و مضر میكروبی بوده است. اما در زمینه تولید تجاری و صنعتی فراورده های میكروبی و اصلاح آنها هنوز در ابتدای راه هستیم.
كاربردهای بیوتكنولوژی میكروبی در كشاورزی:
1- شناسایی عوامل بیماریزای گیاهی
عوامل بیماریزای گیاهی شامل باكتری ها، قارچ ها و ویروس ها سالانه در مزارع مختلف بین 30 تا 100 درصد خسارت وارد می كنند و این آمار به طور واضح نمایانگر اهمیت آنها در كشاورزی و لزوم مبارزه با آنها را نشان می دهد. شناسایی عوامل بیماریزا در مراحل اولیه گسترش عامل بیماری امری بسیار حیاتی در مدیریت كنترل بیماری های گیاهی می باشد. بسیاری از عوامل بیماری زا را می توان با روش های معمول مورفولوژیك گیاهی و سیستماتیك قارچها و باكتری ها از سال ها قبل روش های متعدد مورفولوژیكی و تست های بیوشیمیایی به عنوان روش معمول در شناسایی و مكانیسم عمل پاتوژن های گیاهی استفاده می شده است. بسیاری از عوامل بیماریزا از این طریق به سختی قابل شناسایی بوده و از طرف وقت گیر می باشد. با پیشرفت تكنولوژی های جدید در 15 سال اخیر در بیوتكنولوژی و مهندسی ژنتیك روش های شناسایی جدید برای شناسایی و تشخیص عوامل بیماری زای گیاهی به وجود آمده است. آنتی بادی های منو و پلی كلونال، ELIZA، و تكنولوژی ها بر پایه DNA و RNA مثل PCR در شناسایی فیلوژنتیكی و مكانیسم عمل كاربرد وسیعی پیدا كرده اند. ژنومیكس و بیوسیستماتیك مولكولی علومی می باشند كه اطلاعات بسیار جامعی در خصوص عوامل بیماریزا به محققین می دهد و در كنار آن شناسایی به طور دقیقتری انجام می گیرد. در حال حاضر علاوه بر روش های معمول شناسایی مولكولی روش های مولتی پلكسینگ (شناسایی چند عامل بیماریزا در یك آزمایش) در دنیا استفاده می شوند كه سرعت شناسایی را بسیار بالا برده است. از روش های جدید استفاده از توالی ژن های ریبوزومی، SNP ، میكرواری ها ، میكروچیپ ها، فیلوژنومیكس و فانكشنال فیلوژنومیكس می باشند كه در حال توسعه بوده و میزان استفاده از آنها روزبروز در حال گسترش می باشد.
2- حشره كش های بیولوژیك:
پاتوژن های حشرات كه همان میكروب های كنترل كننده آفات كشاورزی می باشند از سال 1920 تاكنون شناسایی و جداسازی شده اند ولی تولید تجاری آنها تقریبا از 30 سال قبل شروع شده است به طوری كه در حال حاضر حدود 2 در صد سموم حشره كش تولیدی در دنیا را شامل می شوند. در حال حاضر صدها نوع حشره كش بیولوژیك در شركت های مختلف تولیدی بر علیه حشرات مختلف تولید می شود. سموم شیمیایی مورد استفاده در دنیا غیر اختصاصی عمل كرده و برای محیط زیست خطر آفرین می باشند و از طرفی تاكنون تعداد زیادی از گونه های حشرات به آنها مقاومت نشان داده اند و این در حالیست كه میكروب های پاتوژن حشرات اختصاصی عمل كرده ، در محیط نیز سریعا تجزیه شده و در نتیجه برای انسان و حشرات مفید ایمن می باشند و از طرفی آفات به آنها مقاومت نشان نمی دهند. لذا از 30 سال قبل دیدگاه عمومی بشر موافق استفاده از این عوامل میكروبی در قالب برنامه های مدیریت تلفیقی آفات بوده و هست. در حال حاضر حدود 2 درصد از كل سموم حشره كش تولیدی در دنیا از نوع عوامل میكروبی مثلBacillus thuringiensis و باكالوویروس ها می باشند. مهمترین عامل كنترل بیولوژیك حشرات در دنیا در حال حاضر Bacillus thuringiensis(Bt) می باشد كه 90 درصد سموم بیولوژیك تولیدی در دنیا را شامل می شود. برای مثال در سال 2005 فروش جهانی سموم بی تی حدود 200 میلیون دلار بوده است. و میزان تولید آن نیز حدود 5 میلیون كیلوگرم بوده است.
از مهمترین دلایل كم بودن میزان تولید سموم حشره كش بیولوژیك در دنیا كند بودن قدرت كنترل توسط این عوامل می باشد. لذا در دنیا در حال حاضر به دنبال یافتن جدایه ها و یا اصلاح آنها از طریق روش های موتاسیون زایی، امتزاج پروتوپلاست و از همه مهمتر از طریق مهندسی ژنتیك می باشند. در چند سال اخیر تعداد زیادی سویه های پاتوژن حشرات اصلاح شده از طریق مهندسی ژنتیك ایجاد و تولید شده اند. متاسفانه در ایران در زمینه پاتوژن های حشرات اقدامات كامل صورت نگرفته است. تاكنون چندین طرح و پروژه در زمینه جداسازی و شناسایی این عوامل در مراكز تحقیقاتی در جریان می باشند و لی در زمینه اصلاح و تولید تجاری گام های كوتاهی برداشته شده است. لذا از اولویت های مهم در بخش بیوتكنولوژی میكروبی و كنترل بیولوژیك در كشور در مرحله اول تجاری سازی سویه های موثر و در مرحله دوم اصلاح آنها از طریق مهندسی ژنتیك میباشد.
پاتوژن های مهمی كه در دنیا به طور تجاری مورد استفاده قرار گرفته اند به شرح زیر میباشند:
· ویروس های حشرات (باكولوویروس ها) شامل گرانولو ویروس ها، NPV
· باكتری ها ( Bacillus thuringiensisوBacillus sphericus وBacillus popilliae)
· قارچ ها (Beauveria, Metarhizium, Paecilomyces, Nomuraea )
· نماتودها (Nosema, Thelohania, Vairimorpha)
· پروتوزوا و میكروسپورودیا
3- عوامل كنترل كننده بیماریهای گیاهی و علف های هرز:
از حدود 50 سال قبل اثر كنترل كنندگی بسیاری از میكروب ها شامل باكتری ها و قارچ ها برعوامل بیماری زای اندام های هوایی و زمینی گیاهی مشخص شده است و در سال های اخیر صدها نوع فرمولاسیون با غلامت های تجاری مختلف برای كنترل بیولوژیك عوامل بیماری زای گیاهی مختلف در دنیا تولید شده است. روز به روز هم بر این تعداد افزوده می شود.
از باكتری هایی كه قدرت كنترل كنندگی عوامل بیماری زای گیاهی را دارند و به طور گسترده نیز استفاده می شوند می توان به Bacillus spp.، Fluorescent pseudomonads ، Streptomyces اشاره نمود. مكانیسم عمل آنها از طریق رقابت برای غذا، تولید آنتی بیوتیك، تولید سیدروفور و القای مقاومت در گیاه از طریق محرك های رشد می باشد.
مهمترین عوامل كنترل كننده مورد استفاده در كنترل بیولوژیك بیماری ها قارچ ها می باشند و فرمولاسیون های متعددی از آنها در بازار جهانی موجود می باشد. اهمیت قارچها در كنترل عوامل بیماری زا بدلیل كوتاه بودن دوره رشد و سریع بودن رشد آنها و از طرفی اختصاصیت آنها در كنترل ببماری ها می باشد. از قارج های مهم مورد استفاده می توان به Trichoderma spp, Ampelomyces quisqualis, Coniothyrium minitans, Fusarium oxysporum,اشاره نمود كه مهمترین آنها شش گونه Trichoderma می باشد و فرمولاسیون های متعددی از آن در بازار موجود می باشد. لیست فرمولاسیون ها و عوامل میكروبی با كتریایی و قارچی مورد كاربرد در كنترل بیماری های گیاهی در جدول زیر آورده شده است. در حال حاضر بیشتر تحقیقات در دنیا در زمینه جداسازی سویه های باكتریایی و قارچی با كارایی بالا در كنترل بیماری ها و استفاده از تكنولوژی های جدید مثل مهندسی ژنتیك، فانكشنال ژنومیكس ، متابولومیكس برای شناسایی مراحل و عوامل تولید محصول موثر بر عوامل بیماری زا مثل آنتی بیوتیك ها و سیدروفورها و هورمون ها می باشند. علاوه بر آن تحقیقات چند سال اخیر در دنیا در زمینه انتقال ژن های مهم به این عوامل مفید و افزایش تولید توكسین در آنها می باشد. برای مثال ژن كیتیناز و سلولاز از برخی گونه ها ی تریكودرما جداسازی شده و دوباره به سویه های با كارایی مناسب منتقل شده تا میزان كارایی كنترل افزایش یابد. همچنین در زمینه انتقال این ژن ها به خود گیاهان نیز فعالیت های زیادی صورت پذیرفته است.
4- كودهای بیولوژیك:
كشاورزی پایدار از مباحثی است كه در دهههای اخیر بسیار مورد توجه قرار گرفته و برای نیل به اهداف آن بر مدیریت پایدار منابع خاك و آب تأكید شده است. برای چنین مدیریتی، تعاریف، شرایط و اهدافی به ظاهر گوناگون مطرح شدهاند، ولی با تأمل بر آنها میتوان دریافت كه همة كارشناسان علاقمند به این موضوع، بر ضرورت استفاده بهینه از منابع خاك و آب و نه بهرهگیری حداكثر، و نیز بر بهبود كیفیت خاك و محیطزیست اتفاق نظر نشان دادهاند. خاك براساس طبیعت خود به صورت یك اكوسیستم پویا (دینامیك) است كه مواد و انرژی در آن جریان پیدا میكنند. گیاهان و موجودات خاكزی از اجزاء اصلی این سیستم محسوب میشوند و روابط همزیستی متقابلاً مفید بین این اجزاء از عوامل اصلی تنظیم كنندة زنجیرههای غذایی و چرخههای حیاتی است.
امروزه برای ارزیابی كیفیت خاك و سنجش سلامت آن، از معیارها یا شاخصهای بیولوژیك (Bioindicators) مانند مقدار تودة زیستی میكروبی، انبوهی جمعیت گروههای اصلی (باكتریها و قارچها)، تنوع ساختار جمعیتی، تنوع كاركردهای جامعه زیستی (Functional diversity) و تعیین سرعت فعالیتهای حیاتی مانند فعالیتهای آنزیمی، معدنی شدن كربن یا نیتروژن آلی و یا فرآیندهای غیراختصاصیتر مانند فعالیت تنفسی و گرمازایی، براساس روشهای نوین علمی، استفاده میشود. Insam (2001) در بررسی روند توسعه میكروبیولوژی خاك در دهههای اخیر، سیستم پیچیده خاك را به یك جعبه سیاه تشبیه كرده است كه روشهای نوین بیولوژیك مانند آنالیز DNA و تعیین ویژگی های اسیدهای چرب فسفولیپیدی استخراج شده از خاك و یا سنجش فعالیتهای آنزیمی توانستهاند پنجرههای جدیدی به سوی رمز و رازهای درونی آن بگشایند.
در مجموع، شاخصهای بیولوژیك نسبت به شاخصهای فیزیكی و شیمیایی، در برابر شیوههای مدیریتی كه بر روی خاك اعمال میشوند، حساسترند و پاسخ سریعتر و روشنتری ارائه میكنند. با عنایت به اینكه، یكی از اهداف اصلی مدیریت پایدار خاك، بهبود كیفیت این منبع حیاتی است، مدیریت صحیح و اصولی خاك بایستی براساس سنجش شاخصهای بیولوژیك ارزیابی گردد.
انواع كودهای بیولوژیك مورد استفاده در دنیا:
- كودهای بیولوژیك حل كننده فسفر :
برخی از باكتری های خاك ( و گاها قارچها ) مخصوصا انواعی كه متعلق به جنس هایی مانند سودوموناس و باسیلوس توان محلول كردن منابع غیر محلول فسفر را در خاك دارند. فسفر عنصری است كه به فرمهای Hpo4-2 و H2Po4- جذب گیاه می گردد ولی این یونها در خاكهای اسیدی با آهن و آلومینیوم و در خاكهای قلیایی ( كه در كشور ما فراوان است ) با یون كلسیم پیوند یافته و از دسترس گیاه خارج می گردد. به همین دلیل كارائی مصرف كودهای فسفره مصرفی در خاكهای ایران در سال اول از 50 درصد نیز كمتر است و این به دلیل رسوب فسفر كاربردی در خاك است. به دلیل همین حلالیت اندك این تركیبات است كه خاك فسفات ( تركیب كلسیوم + فسفر ) غیر محلول بوده و علی رغم وجود منابع زیادی از آن در كشور ، عملا در كشاورزی قابل استفاده نمی باشد. باكتری های حل كننده فسفر با ترشح انواع اسیدهای آلی مانند گلوكونیك، سوكسینیك، لاكتیك و غیره می توانند فسفر موجود در فاز رسوبی خاك و یا فسفر موجود در آپاتیت ( خاك فسفات) را حل نموده و برای گیاه قابل جذب نمایند. باكتری های مذكور در بسیاری از كشورها به فرم مایه تلقیح در بسته های كمتر از یك كیلوگرم تولید و عرضه می گردد. این مایه تلقیح ها به صورت تلقیح بذری به هنگام كاشت استفاده شده و می توانند در افزایش جذب فسفر، كاهش مصرف كودهای فسفری و افزایش عملكرد نقش داشته باشند. از این گروه در ایران می توان به كود بیولوژیك بارور – 2 كه در بسته های 100 گرمی تولید و عرضه می گردد اشاره كرد. این گروه غالبا نمی توانند تمام فسفر مورد نیاز را بر آورد نمایند و لازم است به صورت تكمیلی از مقداری كود شیمیائی استفاده شود برخی از كشورها مانند استرالیا با اختلاط خاك فسفات و باكتری های حل كننده اقدام به تولید كودهای فسفری نموده اند. در ایران نیز در این زمینه تجربه موفقی وجود دارد كه منجر به تولید كودی به نام كود میكروبی فسفاته گرانوله شده است كه علاوه بر استفاده از خاك فسفات داخلی، كاملا مشابه سوپر فسفات تریپل است و لذا دارای كاربرد آسان به صورت دستپاش و یا ماشینی می باشد و مورد پذیرش كشاورزان نیز قرار گرفته است. در این مبحث لازم است به قارچ های میكوریزی (Vesicular-Arbuscular Mycorrhiza) نیز اشاره شود كه در همزیستی با اكثر گیاهان زراعی كمك مؤثری به افزایش جذب فسفر می نمایند ولی تولید تجاری آنها در ایران شروع نشده است.
باكتری های جنس تیوباسیلوس نیز كه شیمیولیتوتروف هستند، در صورتی كه مقدار گوگرد كافی برای تأمین انرژی لازم جهت رشد و تكثیر را در اختیار داشته باشند، میتوانند با تولید اسید سولفوریك، pH محیط اطراف خود را بطور موضعی كاهش دهند و در آزادسازی فسفر از تركیب های معدنی نامحلول و كودهای حاوی سنگ فسفات موثر واقع شوند.
- كودهای بیولوژیك حاوی باكتریهای اكسید كننده گوگرد (S-oxidizing bacteria) :
خاك های ایران به دلیل آهكی بودن دارای PH قلیائی می باشند كه در این شرایط به دلیل فراوانی یون كلسیم ( Ca2+ )، حلالیت و جذب عناصر غذائی گیاه مانند فسفر ، آهن ، روی ، مس و غیره كاهش یافته و منجر به كاهش عملكرد گیاهان می گردد. كشاورزان در این شرایط غالبا مبادرت به استفاده هر چه بیشتر از كود می نمایند كه نه تنها نتیجه خاصی ندارد بلكه هزینه های تولید در واحد سطح را بالا می برد. از راهكارهای مناسب برای رفع معضل فوق، كاهش PH خاك است . بدیهی است كاهش PH خاك از طریق كاربرد مواد اسیدی بدلیل بافر بودن خاك عملی نیست و لذا هر تغییری در PH خاك بسرعت جبران می شود. یكی از راهكارهای عملی استفاده از باكتریهای اكسید كننده گوگرد است. باكتری های جنس تیوباسیلوس (Thiobacillus) می توانند گوگرد عنصری (S) را كه بی اثر می باشد اكسید نموده و به So42- تبدیل نماید كه در محلول خاك به اسید سولفوریك تبدیل شده و در محل های موضعی خاك (Micro sites) PH خاك را كاهش داده و لذا قابلیت جذب عناصر فوق را افزایش می دهد. مایه تلقیح باكتری های تیوباسیلوس در كشورهایی كه خاك آهكی دارند سابقه تولید دارد كه می توان به كشور استرالیا اشاره نمود. در ایران نیز این مایه تلقیح تولید می شود و برای حصول نتیجه مناسب لازم است به ازای هر 25 كیلوگرم گوگرد كاربردی ، یك بسته 500 گرمی تیوباسیلوس نیز مصرف شود. لازم به ذكر است در صورت عدم مصرف تیوباسیلوس ، اكسیداسیون گوگرد در خاك بسیار كند انجام می شود و لذا تاثیر زیادی ندارد.
باكتری های اكسیدكننده گوگرد گروهی از میكروارگانیسمهای اكسیدكننده گوگرد میباشند كه خود طیف وسیعی از گروههای مختلف باكتریها را شامل میشوند. همه تركیباتی مانند سولفید هیدروژن، سولفیدهای فلزی، پلیسولفیدها، گوگرد عنصری، پلی تیونات و سولفیتها میتوانند توسط این گروه «باكتریهای گوگردی بیرنگ» اكسید شوند. اصطلاح «بیرنگ» باعث تفكیك این موجودات زنده از باكتریهای فتولیتوتروفی رنگ دانهدار میشود.
- كودهای بیولوژیك حاوی باكتری های محرك رشد گیاه (PGPR) Plant Growth Promoting Rhizobacteria :
بسیاری از باكتریهای مفید خاكزی نقش مستقیمی در افزایش جذب عناصر غذائی گیاه ندارند بلكه با فرایندهایی از قبیل تولید هورمونهای تنظیم كننده رشد گیاه، تولید ویتامین ، سیدروفور و غیره رشد و توسعه ریشه و اندام هوائی را افزایش داده و سبب بهبود عملكرد می شوند. بدیهی است توسعه سیستم ریشه ای می تواند خود سبب افزایش جذب آب و عناصر غذائی نیز گردد. بسیاری از باكتری هایی كه در قسمتهای قبل توضیح داده شد می توانند علاوه بر ایفای نقش اصلی خود ، برخی صفات دیگر مانند ترشح هورمونهای محرك رشد ( خاصیت PGPR ) را نیز بروز دهند. لذا گاها واژه PGPR توسعه بیشتری یافته و عملا باكتریهایی را شامل می شوند كه چند خصوصیت را تواما دارا هستند.
لذا امروزه تاكید بیشتری برای تولید كودهای بیولوژیك كه حاوی باكتریهایی باچند صفت هستند وجود دارد. بطور مثال باكتری آزوسپریلوم می تواند در عین تثبیت نیتروژن ، دارای توان حل كنندگی فسفر و یا ترشح هورمون محرك رشد نیز باشد كه مسلما كاربرد آن تاثیر بیشتری بر عمكرد گیاه خواهد داشت. از این گروه از كودهای بیولوژیك كه در ایران تولید می شود می توان به مایه تلقیح ازتوباكتر ( پودری ) و یا نیتروكسین ( مایع ) اشاره كرد.
ذ. بیوتكنولوژی و صنایع غذایی
اهمیت غذا و ارتباط آن با سلامتی انسان بر كسی پوشیده نیست. غذای سالم نه تنها باعث بقای انسان می گردد بلكه با افزودن سطح سلامتی افراد كارایی آنها را در جامعه افزایش می دهد. بنابر این در سال های اخیر افزایش سطح ایمنی وتغذیه ای غذا ها و نیز استفاده از تركیبات طبیعی به جای تركیبات سنتتیك و همچنین بكارگیری غذاهای با خصوصیات فراویژه در تغذیه افراد مورد توجه ویژه قرار گرفته است. غذاهای فراویژه غذاهایی هستند كه بعنوان بخشی از غذای روزانه مصرف می شوند و دارای منافع فیزیولوژیكی بوده ویا در كاهش احتمال ابتلا به بیماری ها موثرند. بیوتكنولوژی غذایی در تعریف عام شامل فرآیندهایی میگردد كه دانشمندان به منظور افزایش میزان تولید ارزش تغذیه ای ایمنی و طعم غذاها بكار میگیرند. ولی در تعریف خاص بیو تكنولوژی صنایع غذایی شاخه ای از بیوتكنولوژی است كه در زمینه تولید محصولات غذایی افزودنی های غذایی و همچنین تركیباتی كه بعنوان مواد مغذی و غذاهای فراویژه شناخته می شوند تمركز می نماید.
با كشف میكروارگانیسم ها و پی بردن به نقش و اهمیت آنها در تولید محصولات مفید و تركیبات با ارزش و نیز اهمیت آنزیم ها در این فرایندها این شاخه از بیوتكنولوژی گسترش بیشتری پیدا نموده است. بطوریكه در چند دهه اخیر تحقیقات وسیعی در راستای تولید تركیبات مفید و باارزش بالا و با استفاده از منابع طبیعی صورت گرفته است. در سال های اخیر علم ژنتیك نیز به یاری این شاخه از تكنولوژی شتافته تا محصولات جدیدتر و با كارایی اقتصادی بالاتر تولید گردد. با توجه به اهمیت حفظ محیط زیست و نقش آن در سلامت افراد بیوتكنولوژی صنایع غذایی سعی دارد تا با بكار گیری موجودات زنده در حیطه تخصصی خود فرایند های كم ضررتر و دوستدار طبیعت طراحی نماید و نیز از توانمندی موجودات زنده در تصفیه فاضلاب كارخانجات مواد غذایی وتبدیل ضایعات كشاورزی و فاضلاب های كارخانجات مذكور به محصولات مفید و با ارزش از جمله سوخت و گاز زیستی استفاده كند.
زمینه های كاربرد بیوتكنولوژی صنایع غذایی
میكروارگانیزم ها مهمترین موجودات زنده ای هستند كه در بیو تكنولوژی صنایع غذایی بكار گرفته می شوند. میكروارگانیزم ها نه تنها در تولید محصولات تخمیری نقش اساسی دارند بلكه بعنوان منبعی غنی از افزودنی های غذایی آنزیم ها و سایر تركیباتی كه در فراوری محصولات غذایی كاربرد دارند و نهایتا در تبدیل فاضلاب ها و ضایعات بكار گرفته می شوند. از میكروارگانیسم ها در تولید طیف وسیعی از محصولات طبیعی استفاده می شود كه زمینه های تحقیقاتی در این شاخه از بیوتكنولوژی در جنبه های زیر متمركز است:
1 تولید بیومس یا توده سلولی
2 تولید آنزیم ها
3 تولید متابولیت های اولیه وثانویه
4 بیوترانسفورماسیون (تبدیل و تغییرات در مواد مغذی از طریق روش های بیولوژیك)
5 تست های ایمنی غذا
تولید بیومس یا توده سلولی
برخی از فرایند های بیوتكنولوژیكی در صنعت با هدف تولید بیومس انجام می گیرد و بیومس تولید شده محصول نهایی فرایند تلقی می گردد. بیومس تولید شده می تواند مخمر از جنس ساكارومایسس باشد كه در تولید الكل، سركه و بعنوان مخمر نانوایی كاربرد دارد. می تواند از باكتری های اسید لاكتیك میتواند باشد كه بعنوان استارتر در تولید ماست وپنیر و نیز بعنوان باكتری های پروبیوتیك كاربرد دارند. می تواند باكتری های متعدد دیگر كه بعنوان پروتئین تك یاخته كابرد دارند میتواند باشد.
تولید آنزیم
برخی دیگر از فرایندهای بیوتكنولوژیكی با هدف تولید آنزیم ها انجام می گیرد. آنزیم ها تركیبات پروتیینی هستند كه واكنش های بیوشیمیایی را امكان پذیر می نمایند. آنزیم ها در صنایع مختلف از جمله صنایع غذایی كاربرد های متنوعی دارند. از جمله آنزیم های مهم مورد استفاده در صنایع غذایی می توان به آنزیم های پكتولیتیك آنزیم های سلولولیتیك پروتاز ها لیپازها و آمیلاز ها اشاره نمود.
تولید متابولیت های اولیه وثانویه
در برخی از فرایندهای بیوتكنولوژیكی محصول نهایی مورد نظر متابولیت های سلولی هستند. متابولیتهایی كه توسط میكروارگانیزم ها تولید می شوند به دو گروه عمده تقسیم بندی می شوند: متابولیت های وابسته به رشد یا متابولیت های اولیه و متابولیت های غیر وابسته به رشد یا متابولیت های ثانویه. هردو گروه از متابولیت ها در صنایع غذایی كاربرد دارند. از جمله متابولیت های اولیه مهم می توان به اسیدهای آمینه و برخی از ویتامین ها اشاره نمود. از متابولیت های ثانویه نیز می توان به كاروتنوییدها اشاره كرد. در جدول شماره 6 به برخی از این متابولیت ها اشاره گردیده است.
بیو ترانسفورماسیون و بیورمدیاسیون
استفاده از قابلیت میكروارگانیزم ها و آنزیم ها در تبدیل مواد كم ارزش به مواد باارزش بالاتر و یا تبدیل مواد سمی به مواد غیر سمی یكی دیگر از اهداف فرایندهای بیوتكنولوژیكی است. این فرایند ها را كه در طی آن تركیبات با استفاده از منابع میكروبی یا آنزیمی به تركیبات دیگر تبدیل میشوند، بیوترانسفورماسیون می گویند. از كابردهای بارز بیوترانسفورماسیون می توان به تولید اسید های آلی از ضایعات قندی و همچنین تصفیه فاضلاب ها اشاره نمود. همچنین میكروارگانیسم ها قادرند برخی از آلاینده ها از جمله فلزات سنگین را از طریق جذب و تجمع در داخل سلول های خود از محیط حذف نمایند. این پدیده بیورمدیاسیون نامیده می شود.
تست های ایمنی غذا
علاوه از موارد فوق بیوتكنولوژی می تواند ما را در افزایش سطح سلامت مواد غذایی یاری نماید. با استفاده از ابزارها بیوتكنولوژیكی می توان میكروارگانیزم های بیماری زا یا عامل فساد مواد غذایی و نیز مواد سمی موجود در مواد غذایی را دقیق تر و سریعتر تشخیص داد. از جمله این امكانات و ابزار ها می توان به تست های منوكلنال آنتی بادی، بیوسنسورها، استفاده از روشهای مختلف PCR و پروب های DNA اشاره كرد. تشخیص باكتری های بیماریزای مهم همانند Listeria و Clostridium botulinum مثال های بارز این كابرد ها هستند.
[1] - Emberyo Rescue
[2] - Transgenic Plants
[3] - Genetically Modified Crops
[4] - Bacillus turinginsis
[5] - Bt- Crops
[6] - Glyphosate
[7] - Phytoremendation
[8] - Biomass
[9] Moon dust
[10] - Down- Regulation
[11]- Cytokin
[12]- Lubricant
[13] - Golden Rice
علاقه مندی ها (Bookmarks)