استفاده از روشهای کلاسیک و نوین اصلاح نباتات در بهبود عملکرد

[آیورودا]

استفاده از روشهای كلاسیك و نوین اصلاح نباتات در بهبود عملكرد

بیوک رئیسی
پژوهشکده بیوتکنولوژی کشاورزی شمالغرب و غرب کشور


فهرست مطالب:

- چكیده

- معرفی علم اصلاح نباتات

- اهداف اصلاح نباتات
1- بهبود كیفیت
2- افزایش تولید در واحد سطح
3- مقاومت به آفات و بیماریها
4- مقاومت به تنشهای محیطی

- روشهای كلاسیك اصلاح نباتات
1- هیبریداسیون واریته‌های هیبرید
2- سطوح مختلف پلوئیدی (مهندسی كروموزوم)
3- موتاسیون
4- اینتروگرسیون

- روشهای بیوتكنولوژی
1- كشت بافت و تولید گیاهان هاپلوئید
2- كشت دانه گرده
3- پروتوپلاست فیوژن
4- انتقال ژن یا مهندسی ژنتیك
5- انتخاب بر اساس نشانگرها و QTL
6- تولید گیاهان هاپلوئید

- جمع‌بندی مطلب
- منابع مورد استفاده



اصلاح نباتات :
اهلی نمودن گیاهان یكی از مهمترین وقایع كشاورزی در دنیای جدید است. هدفهای كلی اصلاح نباتات افزایش عملكرد در واحد سطح بهتر نمودن كیفیت محصولات كشاورزی و تولید مواد اولیه مورد نیاز جوامع انسانی است. ارقام و واریته‌های اصلاح شده گیاهان زراعی و زینتی هر ساله از كشوری به كشور دیگر انتقال داده می‌شود. بدین طریق كیفیت و كمیت محصولات كشاورزی افزایش یافته و احتیاجات فراورده‌های زراعی رفع می‌شود. در اغلب گیاهان یك یا چند ژن باارزش اقتصادی فراوان دارد. ژنهایی كه حساسیت و مقاومت گیاهان را نسبت به امراض و آفات كنترل می‌كنند در اولویت برنامه‌های اصلاح نباتات قرار دارند. هدف اصلاحگر نبات نباید در توسعه روشهای معمول كشت نباتات اصلاحی منحصر گردد بلكه بایستی همواره در جستجوی تركیبات نو از ژنوتیپهای مطلوب باشد.
هدف اصلاحی نهایی در هر برنامه اصلاحی افزایش عملكرد می‌باشد. در شرایط نا مساعد افزایش عملكرد به طریق اصلاح نباتات به مقدار كم و صرف زمان طولانی ممكن است ژنهای كنترل كننده عملكرد برای بروز حداكثر پتانسیل خود به عوامل محیطی تولید وابسته می‌باشند. به طور كلی عمدترین اهداف اصلاح نباتات را می‌توان در عناوین زیر خلاصه می‌شود.
1- بهبود كیفیت
كیفیت خصوصیتی است كه باعث افزایش ارزش محصول می‌شود كیفیت در جائی ممكن است به ارزش غذایی یك غله یا طعم و بافت یك میوه تلقی شود. كیفیت جزء مهمی از هر برنامه اصلاح نباتات محسوب می‌شود. به عنوان مثال ژنوتیپهای مختلف گندم آرد تولیدی حاصل از آن را تحت تاثیر قرار داده و نهایتاً حجم و بافت و رنگ نان را مستقیماً تحت تاثیر قرار می‌دهد. بهرحال در گیاه اصلاح شده از لحاظ پروتئین و اسیدهای آمینه ممكن است متفاوت باشد. در اهداف تولید نباتات علوفه‌ای توجه به كیفیت علوفه همواره مسئله خوش‌خوراكی و ارزش تغذیه‌ای را در بردارد در گیاهان زینتی كیفیت مفهومی جدا از گیاهان زراعی دارد. خصوصیات كیفی در گلهای زینتی عمدتاً همچون شكل ظاهر، شدت و میزان عطر ساطع شده و وجود و عدم وجود تیغ، تعداد گلبرگ را شامل می شود. در میوه ها و محصولات انباری كه طیف وسیعی از میوه جات و سبزیجات را در بر می گیرد كیفیت معمولاًَ به مقاوم و ماندگاری خصوصیات بیوشیمیایی محصول انبار شده در برابر تغییرات طولانی مدت محیط فیزیكی را شامل می شود. خصوصیات انباری از مهمترین شاخصهای اقتصادی را شامل می شودكه با بازار پسندی محصول ارتباط مستقیمی دارد.
2- افزایش تولید در واحد سطح:
افزایش تولید در واحد سطح و استفاده از ژنوتیپهای مفید و مطلوب در هر منطقه آب و هوایی از دیگر اهداف اصلاحگران نباتات می باشد. عملكرد گیاه در واحد سطح منعكس كننده برآیند همه اجزا گیاه می باشد. بهرحال همه ژنوتیپهای تولید شده دارای عكس العمل فیزیولوژیكی و ژنتیكی یكسانی در شرایط مختلف نیستند. عملكرد صفتی پیچیده است كه تحت تاثیر اثر متقابل ژنوتیپ و محیط می باشد.

3- مقاومت به آفات و بیماری:
برای دستیابی به حداكثر تولید، مقاوم بودن به آفات و بیماریها ضروری است علفهای هرز، حشرات بیماریهای باكتریایی و ویروسی در مقاطع مختلف از مرحله رشد گیاه بیشترین خسارت را به محصول وارد می‌كند. اصلاحگران همراه سعی بر دستیابی به گیاهان را دارند كه حاوی ژنهای مطلوب به مقاومت به آفات و بیماریها هستند. علت مقاوم بودن بعضی از واریته‌ها را به مكانیزم فیزیولوژیكی فعال در برابر حمله آفات می‌دانند به عنوان مثال تركیبی به نام فیتوالكین در لوبیا همراه در هنگام شیوع بیماری فوزاریوم از گیاه ترشح می‌شود كه باعث بلوكه شدن و توقف توسعه بیماری می‌شود. به هر حال از برنامه‌های اصلاحی مهم ایجاد گیاهان مقاوم می‌باشد. مقاومت به آفات بیشترین بازده اقتصادی را برای كشاورزان نوید بخش است. مقاوم منجر به سرشكست شدن بسیاری از هزینه‌های تحمیلی به كشاورزان و بی‌نیاز شدن به فعالیتهایی همچون سمپاش و آلودگی محیط زیست و مسائل باقیمانده سموم در بافت گیاهان زراعی با مصرف خوراكی می‌گردد.

4- مقاومت به تنشهای محیطی
مقاومت از جمله عمده‌ترین اهداف اصلاح نباتات می باشد. بیشتر تولیدات در مناطق نامساعد سرما و شوری حاصل می شود. و گیاه مجبور است برای تولید كافی با این شرایط نامساعد مقابله كند بعضی از واریته‌های گیاهان در شرایط نامساعد محیطی و فقر حاصلخیزی خاك قادر هستند مقدار مناسبی محصول را در واحد سطح تولید كنند فلذا شناسایی ژنوتیپهای مقاوم به تنشهای محیطی از اصلی‌ترین راهكارهای مناسب برای رفع معضل مذكور می‌باشد.

 

[آیورودا]

تولید گیاهان هاپلوئید و دابل‌هاپلوئیدی
تولید هاپلوئید و سپس دو برابر نمودن كروموزمهای آن به ایجاد دابل هاپلوئید می‌انجامد كه سریعترین روش دستیابی به اینبریدینگ كامل در طی یك مرحله می‌باشد. در روشهای متداول بهنژادی گزینش داخل نتاج به عنوان یك معضل اصلاح‌كنندگان محسوب می‌شود زیرا تعداد جمعیتهای و مزارع مختص ارزیابی هر سال افزایش می‌یابد. مهمترین روشهای القائی تولید هاپلوئید عبارتند از: 1- میكروسپور (آندوژنز) 2- كشت گلچه 3- كشت بساك، تخمك (ژینوژنژ) كشت تخمك، دورگ‌گیری بین گونه‌ای
تولید هاپلوئید به روش میكروسپور یكی از كاراترین و معمولترین روش ایجاد هاپلوئید می‌باشد میكروسپور دانه گرده‌ای است كه در مرحله ابتدائی نمو در محیط كشت، گیاهچه هاپلوئید را بوجود می‌آورد، كشت بساك نیز معمولترین فرم كشت گرده است كه بساكها در مرحله نموی تك هسته‌ای انتخاب می شود. تولید گیاهان هاپلوئید به تعداد زیاد به روش كشت بساك بستگی دارد. ایجاد هاپلوئید گندم توسط تلاقی گندم× ارزن و گندم × ذرت امكانپذیر می‌باشد.
تكنیكهای دو برابر كردن مجموعه كروموزمی (ژنوم) هاپلوئید‌ها برای تهیه گیاهان صد در صد خالص (دابل هاپلوئید) نقش اساس را ایفا می‌كند. مكانیزمهای دو برابر شدن ژنوم میكروسپوربه دو پدیده اتحاد هسته‌ای و دو برابر شدن میتوزی یا داخلی نسبت داده می‌شود. در طرحهای به‌نژادی گیاهان خود گشن به تعداد نسبتاً زیادی گیاه دابل هاپلوئید جهت گزینش بهترین لاین نیاز می‌باشد. برای ایجاد لاینهای اینبرد به روش دابل‌هاپلوئیدی در گیاهان دگرگشن نیز تعداد زیادی لاین مورد احتیاج می‌باشد.
كل‌شی‌سین مهمترین عامل شیمیایی دو برابر نمودن كروموزومی است كه در سطح وسیعی بكار می رود. كل‌سی‌سین بازدارنده رشته های دوكی شكل وعمل كننده در سلولهای در حال تقسیم گیاهان می باشد. به ططور دقیق تر كل‌شی‌سین از تشكیل میكرو بتولها از طریق پیوند با زیر واحد پروتئین میكروبولی ها به نام تیوبولین ممانعت می كند لذا كروموزمها در مرحله متافاز یك جا وارد یك سلول می گردند كه نتیجتاًَ تعداد كروموزوم سلول حاصل از تقسیم دو برابر می گردد. گیاهان هاپلوئید در تعدادی از گونه های زراعی شامل پنبه، توت فرنگی ، گوجه فرنگی، جو و توتون و سیب زمینی و برنج و گندم و بعضی از گیاهان دیگر تولید شده اند.

اینتروگرسیون :
فرایند اینترگرسیون ، به معنای وارد كردن قسنتی از مواد ژنتیكی یك گونه به گونه دیگر می تواند توسط تلاقی های برگشتی مكرر F1 بین گونه ای با یكی از والدین انجام می شود. در اكثر موارد از اینتروگرسیون به منظور انتقال ژنهای مقاوم به بیماری از سایر گونه ها به گونه های زراعی كه فاقد ژن مقاوم هستند استفاده می شود.


اصلاح گیاهان با استفاده از موتاسیون :
به نظر می رسد تنوع ژنتیكی حاصل از موتاسیون مصنوعی با تنوع حاصل از موتاسیون طبیعی یكسان باشد. بنابراین اصول اساسی استفاده از تنوع حاصله از موتاسیون مصنوعی ÿا تنوع حاصل از موتاسیون طبیعی یكسان است. اصلاح كننده بایستی با عوامل موتاژن كاربرد آنها و نحوه ایجاد موتاسیون آشنا بوده و به تشخیص گیا هان موتانت قادر و امكانات و وسایل لازم را دارا باشد. به طور كلی دو عامل فیزیكی و شیمیایی در ایجاد موتاسیون دخالت دارند موتاژنهای فیزیكی شامل اشعه ایكس ، گاما، نوترون و UV می باشد. اكثراًَ‌اصلاحگران به این موتاژنها دسترسی ندارند لذا از مواد شیمیایی عمدتاًَ استفاده می كنند.

هیبریداسیون :
هیبریداسیون یكی از ابزارهای متداول اصلاح نباتات كلاسیك می باشد كه در واقع به تلاقی بین دو واریته برای دستیابی به ژنوتیپ برتر اطلاق می شود. یك برنامه هیبریداسیون ممكن است به واریته های داخل یك گونه یا بین والدین چند جنس مختلف صورت پذیرد. اصلاحگران بعد از هیبریداسیون در جستجوی ژنوتیپهای برتر هموزیگوت نیست بلكه سعی می كنند كه مجموعه ای از ژنهای را انتخاب كنند كه دارای اثر متقابل ژنتیكی مفید و اثرات هتروزیس هستند. وجود پدیده هیبریداسیون امكان انتقال ژنهای مفید از یك گونه به گونه دیگر را فراهم می كند. هیچ پدیده ای در علم اصلاح نتوانسته تاثیر ی مانند واریته های هیبرید روی افزایش مواد غذایی در دنیا بگذارد. واریته های هیبرید به جامعه F1 كه برای استفاده تجاری تولید می شوند اطلاق می شود یكی از روشهای هیبریداسیون ، دابل كراس می باشد كه به خوبی نتایج مطلوب پیامد خود را به ثبات رسانده است .

كشت بافت گیاهی :
كشت بافت فرایندی است كه در آن قطعات كوچكی از بافت زنده از گیاهی جدا شده و به مدت كشت نا محدودی در یك محیط مغذی رشد داده می شود. برای انجام كشت سلولی موفق بهترین حالت آن است این عمل با كشت بخشی از گیاه كه حاوی سلولهای تمایز نیافته است آغاز می شود زیرا چنین سلولهایی می تواند به سرعت تكثیر یابند. قطعات گیاه در محیط كشت می تواند به طور نا محدودی رشد كرده و توده سلولی تمایز نیافته به نام كالوس می كنند بر اینكه سلول گیاهی نمو كند و به كالوس تبدیل شوند لازم است كه محیط كشت حاوی هورمونهای گیاهی مانند اكسین، سیتوكسین و جبیرلین باشد.

كاربردهای كشت بافت های سلولی :
1- تولید مواد شیمیایی
گیاهان به عنوان منبع مهمی از مواد پیشتاز فراورده هایی كه در صنایع مختلف مانند داروسازی، صنایع غذایی و آرایشی و بهداشتی و كشاورزی مورد استفاده اند.
2- گیاهان عاری از عوامل بیماریزایی گیاهی
غلات ممكن است توسط گونه های زیادی از آفات میكروبی ، ویروس، باكتریائی و قارچی آلوده می شوند. این آلودگیها تا حد زیادی موجب كاهش تولید فراورده كیفیت آن و توان گیاه می شوند. آلودگی در درختان میوه بازده محصول را تا 90% كم می كند. اساس به دست آوردن گیاهان بدون ویروس كشت مریستم انتهایی آنهاست با كشت قطعه كوچكی از مریستم می توان كالوس بدون ویروس تهیه كرد.
مواد گیاهی كه از طریق كشت بافت تكثیر می شوند تغییرات ژنتیكی بالایی را نشان می دهند. زمانی كه از كشت كالوس مرتباًَ زیر كشت گرفته شود گیاهان حاصل سطح پلوئیدی متفاوتی را نشان می دهند و همینطور كه بحث خواهد شد این تغییرات ناشی از كشت بافت می تواند تنوع ژنتیكی جدیدی را در اختیار اصلاح كننده نباتات قرار دهد.

 

[MehD1979]

ابزارهای مدلسازی Systems Biology

1- نرم‌افزارهای عمومی Matlab و Mathematica

Mathematica و Matlab دو ابزار جامع و عمومی برای انجام محاسبات و مشاهده نتایج هر نوع مدل ریاضی می‌باشند. Mathematica با انواع سیستم عامل‌ها مثل ویندوز، لینوکس و یونیکس کار کرده و آخرین نسخه آن در آدرس www.wolfram.com معرفی شده است. این نرم‌افزار دو بخش عمده دارد: هسته مرکزی برنامه که محاسبات را انجام می‌دهد و واسط گرافیکی آن موسوم به GUI که ارتباط تنگاتنگ با هسته مرکزی محاسباتی دارد.
مزیت عمده Mathematica، انجام محاسبات پیچیده خاص بوده و در عین حال سایر برنامه‌ها می‌توانند از هسته مرکزی محاسباتی آن برای ارائه انواع نمودارها بهره‌برداری نمایند. در عین حال ارائه مرتب نسخه‌های جدید این نرم‌افزار که امکان انجام محاسبات جدیدی را دارند، از دیگر مزیت­های این نرم‌افزار می‌باشد. رقیب اصلی Mathematica، نرم‌افزار Matlab می‌باشد که آخرین نسخه آن در آدرس www.mathworks.com معرفی شده است. هر دو نرم‌افزار مشابه یکدیگر می‌باشند و انتخاب یکی از این دو بیشتر به سلیقه کاربر بستگی دارد تا امکانات آنها.
Matlab نیز دارای توانایی محاسباتی بالا و گرافیک متنوعی می‌باشد. همچنین این برنامه دارای زبان برنامه‌نویسی و عملیات خاص خود بوده که در فایل­های موسوم به M-files نگهداری می‌شود.
علی‌رغم مشابهت‌های فراوان این دو نرم‌افزار، تفاوت­هایی در رفع مشکلات نرم‌افزار، ملحقات، محاسبات نمادین، ذخیره داده‌ها و نمودارها و … وجود دارد.

2- Gepasi

http://www.gepasi.org​

نرم‌افزارهای عمومی دارای ابزارهای فراوانی بوده که بخش اعظم آنها شاید مورد نیاز یک زیست‌شناس نباشد. بسیاری از متخصصان گرایش های مختلف علوم زیستی ترجیح می‌دهند تا از نرم‌افزارها و ابزار تخصصی که برای منظور خاصی طراحی شده است استفاده نمایند.
Gepasi یکی از این نرم‌افزارها است که برای مدلسازی برهمکنش های بیوشیمیایی طراحی شده است. این نرم‌افزار توسط Pedro Mendes نوشته شده و به رایگان در آدرس www.gepasi.org در دسترس می‌باشد.
در این برنامه، واکنش شیمیایی وارد شده و انرژی واکنش توسط معادلات موجود و طبق انتخاب کاربر تعیین می‌شود. وقتی که یک سامانه شناسایی گردد، برنامه این امکان را برای کاربر فراهم می‌کند که اطلاعات متعددی از واکنش­های این سامانه به دست آورده و مدل­هایی مبتنی بر داده‌های موجود را برای سامانه مورد نظر پیشنهاد نماید. این برنامه همچنین امکان خلق مدل­های چند منظوره بر اساس مکان انجام واکنش‌ها (بر مبنای انجام واکنش در سیتوپلاسم یا هسته) را دارد.
این برنامه همچنین می‌تواند اطلاعات مدلسازی شده یک سامانه را در قالب SBML ذخیره نموده و دوباره استفاده نماید. این اطلاعات قابل استفاده در سایر نرم‌افزارهای مبتنی بر این استاندارد نیز می‌باشد.
برنامه Gepasi بسیاری از مواردی را که برای مطالعه واکنش­های بیوشیمیایی لازم است در بر گرفته و کار کردن با آن بسیار راحت است.

3- E-Cell

http://ecell.sourceforge.net​

نرم‌افزار E-Cell در سال 1996 در ژاپن برای شبیه سازی فرآیندهای سلولی طراحی شد. نسخه اول این نرم‌افزار برای ساخت یک مدل نظری از یک سلول با 127 ژن -که حداقل تعداد ژن مورد نیاز برای رونویسی، ترجمه، تولید انرژی و ساخت فسفولیپید می‌باشد- به کار برده شد. برای ساخت این مدل، مجموعه‌ای از ژن­های یک گونه از میکوپلاسما که دارای کوچکترین ژنوم شناخته شده می‌باشد، مورد استفاده قرار گرفت.
مدل­های بعدی که توسط این نرم‌افزار مورد بررسی قرار گرفت، متابولیسم میتوکندریایی و چندین مسیر و فرآیند مثل زنجیره تنفسی، چرخه TCA، بتا اکسیداسیون اسیدهای چرب و سامانه انتقال متابولیت بوده‌اند.
آخرین نسخه این برنامه که E-Cell 3 می‌باشد، در آدرس www.e-cell.org معرفی شده است و تحت سیستم عامل‌های ویندوز و لینوکس کار می‌کند.
با توجه به مقیاس زمانی انجام فرآیندهای سلولی، این برنامه الگوریتمی دارد که دارای مقیاس­های زمانی مختلف برای فرآیندهای مختلف سلولی می‌باشد. مثلاً انجام فعالیت یک آنزیم در کسری از ثانیه رخ می‌دهد، در حالی که وقایع تنظیم بیان ژن­ها در چند دقیقه تا چند ساعت صورت می‌گیرند. این برنامه مدل­هایی با استفاده از سه دسته اجزا بنیادی، یعنی مواد، رآکتور و سامانه می‌سازد. مواد، متغیرها بوده و رآکتورها، فرآیندهایی هستند که بر اساس وضع متغیرها عمل می‌کنند. سامانه‌ها دارای اجزای دیگری بوده و بخش­های منطقی و فیزیکی را در بر می‌گیرند و برای ارائه یک مدل سامانه سلولی به کار می‌روند. برنامه E-Cell دارای یک سامانه خودکار به نام GEM(Genome-based E-Cell Modeling) نیز می‌باشد که از داده‌های بانک‌های اطلاعاتی استفاده نموده و به راحتی مدل­هایی براساس توالی‌های ژنومی تولید می‌کند.

4-‌ PyBios

http://pybios.molgen.mpg.de​

PyBios نیز با هدف استفاده در Systems Biology و شبیه سازی و مدلسازی طراحی شده است. برخلاف Gepasi و E-Cell که بر روی کامپیوترهای شخصی نصب می‌شوند، PyBios بر روی سرور اختصاصی خود در آدرس http://pybios.molgen.mpg.de اجرا شده و نرم‌افزاری اینترنتی است.
PyBios چارچوبی برای هدایت مدل­های سینتیکی در هر اندازه و با سطوح دانه بندی متفاوت فراهم می‌کند. این ابزار برای تحلیل مدل­های بیوشیمیایی به منظور پیش‌بینی رفتار مدل­ها در واحد زمان به کار می‌رود. با ارتباط خودکار این نرم‌افزار به پایگاه‌های داده، تجزیه و تحلیل مدل­های عظیم امکان‌پذیر می‌باشد.
در این برنامه امکان کار در سطح سلول، کروموزوم، پلی پپتید، پروتئین، آنزیم، ژن و مجموعه‌های زیستی وجود دارد و این اجزا می‌توانند برای خلق یک مدل محاسباتی استفاده شوند.

5- Systems Biology Workbench

http://sbw.kgi.edu​

هر یک از مدل­هایی که توسط نرم‌افزارهای شبیه ساز ایجاد می‌شود نمی‌توانند پاسخگوی نیازهای روزافزون کاربران باشد و بنابراین نیاز به ابزارهای متنوع با کاربردهای مختلف می‌باشد. برای این منظور محققان با استفاده از فنون آزمایشگاهی و مبانی نظری مختلف، برنامه‌های گوناگونی با زبان­های مختلف و براساس چارچوب­های متفاوت نوشته‌اند. مشکل اصلی در این برنامه‌ها، ذخیره اطلاعات در قالب­های متفاوت بوده که قابل استفاده توسط برنامه‌های دیگر نمی‌باشد. پروژه‌های مختلفی برای رفع این مشکلات اجرا شده است که در یکی از آنها برای ایجاد یک قالب مشترک توصیفی مدل­ها تلاش شده است و در نتیجه آن SBML شکل گرفت.
پروژه دیگر با عنوان System Biology Workbench که به اختصار SBW نامیده شد، نرم‌افزاری بود که برای ارتباط بین نرم‌افزارهای مختلف ساخته شد. این نرم‌افزار در آدرس www.sys-bio.org معرفی شده است.
این نرم‌افزار به عنوان یک قفل شکن مرکزی، امکان تبادل فایل و اطلاعات را بین نرم‌افزارهای گوناگونی که در این مقاله معرفی شده‌اند را فراهم می‌کند.
SBW و SBML تبادل مدل­های زیستی را تسهیل کرده و امکان شبیه سازی بین نرم‌افزارهای مدلسازی را ایجاد کرده‌اند.

6- BioSPICE
www.biospice.org

این نرم‌افزار که در آدرس www.biospice.org معرفی شده است، بر پایه SBW، امکانات بیشتر و قدرت افزون تری به کاربران برای انجام تبادلات بین ابزارهای مختلف می‌دهد.

7- JDesigner

نرم‌افزار Jdesigner تحت ویندوز اجرا شده و همراه برنامه SBW نصب می‌شود. این برنامه به تنهایی یا همراه با SBW قابل اجرا است و در حالت اجرا به تنهایی، یک نرم‌افزار طراحی گرافیکی شبکه برهمکنش­ها می‌باشد. در این حالت، قوانین سینتیکی تعریف شده‌ای در نرم‌افزار وجود دارد و برنامه براساس آن مدلسازی را انجام می‌دهد. از این نرم‌افزار برای شبیه سازی واکنش­ها در طول زمان نیز می‌توان استفاده کرد.

8- Cell Designer

http://celldesigner.org​

نرم‌افزار Cell Designer برای ایجاد شبکه­های واکنش­ها به کار می‌رود و جایگزینی برای برنامه Jdesigner می‌باشد. این نرم‌افزار برای کسانی که از سیستم عامل ویندوز استفاده نمی‌کنند و به جای آن از Mac یا لینوکس بهره می‌برند نیز قابل استفاده است و زبان برنامه Java می‌باشد. آخرین نسخه این برنامه از آدرس http://celldesigner.org قابل دریافت است.
Cell Designer اشکال متفاوتی برای انواع مولکول ها مثل پروتئین­ها، گیرنده‌ها، کانال­های یونی، متابولیت­های کوچک و … به صورت پیش فرض در نظر گرفته است. همچنین نمادهایی برای واکنش­های مختلف مثل فسفریلاسیون و تغییرات دیگر مولکولی وجود دارد. همچنین نرم‌افزار علائم خاصی برای برخی از انواع واکنش­ها مثل کاتالیز، انتقال عامل، سرکوب و فعال کردن مهیا کرده است.
Cell Designer قالب SBML را می‌پذیرد و بنابراین می‌توان از طریق اینترنت، مدل­هایی که با این استاندارد نوشته شده‌اند را استفاده کرد و این مدل­ها را به صورت یک درختواره نشان داد. با کلیک روی هر بخش از این درختواره می‌توان عناصر آن را در یک پنجره جدید مشاهده با جزئیات بیشتر ملاحظه کرد.
9- Petri Nets

http://www.daimi.au.dk​

Petri Nets ابزار مدلسازی گرافیکی و محاسباتی سامانه‌های موازی یا مستقل می‌باشد که اساس محاسباتی آن در دهه 60 میلادی توسط Adam Petri ابداع شد.
عناصر اساسی یک Petri Net مکان­ها، گذرگاه‌ها و عناصر ارتباط دهنده این دو عنصر می‌باشند. در تصویر گرافیکی، مکان­ها با دایره و گذرگاه‌های موقتی با مستطیل نمایش داده می‌شوند.
هر کدام از مکان­ها که می‌توانند نماینده یک مولکول باشند، مقداری را به خود اختصاص می‌دهند که با انجام یک مرحله تعداد آن کاهش یافته و به مکان بعد یک نشانه افزوده می‌شود. میزان انجام یک فرآیند با قطر بردارهای اتصالی نمایش داده می‌شود. حاصل کار این شبکه نمایشی از فرآیندهای انجام شده و مقدار مکان­های موجود می‌باشد که بیشتر به یک بازی کامپیوتری شبیه است.
این شبکه‌ها نه تنها با ظاهری مناسب یک سامانه را نمایش داده بلکه توصیفی ریاضی نیز از آن ارائه می‌دهند و برخی خصوصیات از طریق تحلیل­های ریاضی قابل مطالعه می‌باشند.
نسخه‌های تکمیلی نرم‌افزار Petri Nets که در طول سال­ها به نرم‌افزار پایه افزوده شده، آن را تبدیل به ابزار بسیار قدرتمندی در Systems Biology کرده است. مسیرهای بیوشیمیایی با استفاده از این برنامه به خوبی شبیه سازی شده و متابولیت­ها در جایگاه مکان­ها و واکنش­ها نیز در جایگاه گذرگاه‌ها قرار گرفته و ضریب‌های وزنی اتمی نیز رمز کننده ضخامت بردارها می‌باشد. از این راه می‌توان شبکه‌های متابولیسمی و مسیرهای ترارسانی پیام را مدلسازی کرد.
نرم‌افزارها و ابزارهای مرتبط با Petri Nets در آدرس www.daimi.au.dk قابل دستیابی است و اطلاعات زیادی درباره کاربردهای این ابزارها، نحوه کار و همایش­های مرتبط با آن نیز در این سایت وجود دارد.

10- STOCKS2

http://www.sysbio.pl/stocks​

نرم‌افزار شبیه‌سازی STOCKS2 توسط Andrzey Kierzek و Jacrk Puchalka طراحی شده و به رایگان در آدرس www.sysbio.pl/stocks قابل دسترسی است. این نرم‌افزار بر روی سیستم عامل‌های ویندوز و لینوکس قابل اجرا می‌باشد.
علی‌رغم اینکه تعداد زیادی از هر یک از انواع مختلف مولکول­ های مورد نیاز در سلول حضور دارند اما برخی مولکول­ها که می‌توانند نقش مهمی نیز در سلول داشته باشند، مانند عوامل رونویسی، تعداد کمی دارند. به طور مثال، تنها 10 مولکول سرکوب گر Lac در یک سلول E.coli وجود دارد. پروتئین‌های مداخله کننده در مسیرهای ترارسانی پیام نیز تعداد کمی دارند.