انتقال ژن يا جذب DNA فرايندي است كه قطعه مشخصي از DNA ( معمولاً يك ژن خارجي وارد شده در پلاسميد باكتريايي) را به درون سلول¬ها وارد مي¬نمايد. در اصلاح نباتات، تكنيك¬هاي مرتبط با انتقال ژن از طريق تكثير جنسي و رويشي به خوبي رايج مي¬باشند. هدف از اين تكنيك¬ها ايجاد تنوع ژنتيكي در جوامع گياهي، انتخاب گياهان برتر از نظر ژنهاي كنترل كننده صفات مطلوب و همچنين حفظ تنوع واريته¬هاي گياهي مي¬باشد. با استفاده از تكنيك¬هاي اصلاحي مرسوم، پيشرفت¬هاي چشم¬گيري در زمينه بهبود عملكرد گياهان زراعي حاصل شده است. معذالك اين تكنيك¬ها وقت¬گير هستند. در سالهاي اخير، بيوتكنولوژي گياهي منبعي سرشار از ابداع و خلاقيت بوده است و براي رفع مشكلات قديمي راه حل¬هاي نويني فراهم كرده است. بنابراين، در اين مقاله سعي شده است كه چشم¬انداز حال و آينده انتقال ژن را در بهبود گياهان زراعي مورد بررسي قرار دهد.
دهها سال است كه انتقال ژن بين گونه¬هاي گياهي نقش مهمي در بهبود گياهان زراعي بازي كرده است. بهبود گياه چه در نتيجه انتخاب طبيعي و يا با تلاش¬هاي به¬نژادگران، هميشه بر اساس ظهور، ارزشيابي و گزينش تركيبات صحيح آلل¬ها بوده است. صفات مفيد از قبيل مقاومت به بيماري¬ها، حشرات و آفات از گياهان غير زراعي به واريته¬هاي گياهان زراعي منتقل شده است. از سال 1970، پيشرفت قابل ملاحظه¬اي در ابداع ابزارهاي لازم براي دستورزي اطلاعات ژنتيكي در گياهان توسط روش¬هاي DNA نوتركيب رخ داده است. فرايند كلي ترانسفورماسيون ژنتيكي شامل معرفي، تلفيق و بيان ژن يا ژن¬هاي خارجي در گياه پذيرنده است. گياهاني كه ژن¬هاي خارجي از منابع ژنتيكي ديگر را با خود حمل مي¬كنند و آنها را به صورت پايدار در خود جاي داده و بيان مي¬نمايند، گياهان تراريخت ناميده مي¬شوند. توليد گياهان تراريخت نتيجه كاربرد تلفيقي تكنولوژي rDNA، روش¬هاي انتقال ژن و تكنيك¬هاي كشت بافت مي¬باشد. با استفاده از اين تكنيك¬ها توليد گياهان تراريخت در محصولات غذايي- ليفي، سبزيجات و درختان ميوه و جنگلي ميسر شده است. در سالهاي اخير، بيوتكنولوژي گياهي منبعي سرشار از ابداع و خلاقيت بوده است و براي مشكلات قديمي راه حل¬هاي نويني فراهم كرده است. ژن¬هاي گياهي كلون مي¬شوند، علائم تنظيم كننده ژنتيكي رمز گشاي مي¬شوند و ژن¬ها از موجودات كاملاً غير خويشاوند ( خصوصا باكتريها و ويروسها) براي اعطاء صفات زراعي مفيد جديد، به گياهان زراعي منتقل مي¬شوند. ترانسفورماسيون ژنتيكي انتقال ژن¬هاي مطلوب ويژه را، بدون همراهي با هيچ ژن نامطلوبي از گونه¬هاي بخشنده به گياه زراعي ميسر ساخته است. در حاليكه در روش¬هاي اصلاحي مرسوم ژن¬هاي نامطلوب نيز همراه ژن¬هاي مطلوب منتقل مي¬شوند. پتانسيل وارد كردن و بيان ژنهاي خارجي گوناگون اولين بار در گياه توتون توسط اگروباكتريوم (De Block et al. 1984) و روش بدون استفاده از ناقل (Paszhowski et al. 1984) توصيف شده است. ليست گونه¬هاي گياهي كه مي¬توانند توسط ناقل آگروباكتريوم و روش بدون ناقل تراريخت شوند، به طور مداوم در حال رشد بوده و در حال حاضر توانايي تراريختي به بيش از 120 گونه گياهي و در حداقل 35 خانواده گسترش پيدا كرده است. موفقيت¬ها اغلب شامل محصولات مهم اقتصادي سبزيجات، گياهان زينتي، دارويي، درختان و گياهان مرتعي مي¬باشد. انتقال ژن و باززايي گياهان تراريخت، ديگر جزو فاكتورهاي محدود كننده در بهبود و كاربرد سيستم¬هاي ترانسفورماسيون عملي براي بسياري از گونه¬هاي گياهي نيستند. براي اين گفته، كافي است اشاره شود كه قبلاً گونه¬هاي تك لپه¬اي در خارج از حوزه ميزبانيA. tumefacims قرار مي¬گرفتند و اين امر منجر به ابداع انتقال مستقيم DNA يا روش بدون ناقل براي ترانسفورماسيون گرديد. معذالك اخيراً ترانسفورماسيون توسط آگروباكتريوم در گونه¬هاي تك لپه¬اي از قبيل گياهان غذايي مهم از جمله برنج (Hiei et al. 1994)، ذرت (Ishida et al. 1996) و گندم (Cheng et al. 1997) گزارش شده است.
اولين نسل كاربرد مهندسي ژنتيك در محصولات كشاورزي به سمت توليد گياهان تراريخت بيان كننده ژن خارجي براي مقاومت به ويروس¬ها، حشرات، علفكش¬ها يا عوامل فساد بعد از برداشت و تجمع فراورده¬هاي ذخيره¬اي تغييرشكل يافته مفيد بوده است. اين موضوعات تحت عناوين ذيل بحث شده¬اند.
مقاومت به تنشهاي زنده
ترانسفورماسيون ژنتيكي امكان ترانسفورم كردن گياهان براي بهبود مقاومت به حشرات و پاتوژنها را ميسر ساخته است و به سرعت به سمت تجاري شدن پيش مي¬رود. اين پيشرفت¬ها اساس راهكار اقتصاد پايدار و بدون استفاده از مواد شيمايي را براي كنترل آفات و بيماري¬ها تشكيل مي¬دهد. مقاومت به تنش¬هاي زنده تحت عناوين زير بحث شده¬اند.
1- مقاومت به حشرات
2- مقاومت به ويروسها
3- مقاومت به بيماريهاي قارچي و باكتريايي
1- مقاومت به حشرات
پيشرفت در مهندسي گياهان تراريخت براي مقاومت به حشره، از طريق استفاده از ژنهاي پروتئين كنترل كننده Bacillus thuringiensis حاصل شده است. مقاومت به حشره ابتدا در توتون (Vaeck et al. 1987) و گوجه فرنگي (Fischhoff et al. 1987) گزارش شد. امروزه ترانسژن مقاوم به حشره از هر منبعي از جمله گياهي، باكتريايي و يا منابع ديگر مي¬تواند به منظور افزايش سطح مقاومت به حشره، به گياهان منتقل شود. تقريباً 40 ژن متفاوت اهدا كننده مقاومت به حشره، به گياهان زراعي وارد شده است. ژنهاي اهدا كننده مقاومت گياهان به حشره از ميكروارگانيسمها بدست آمده است. ژن Bt از Bacillus thuringiensis، ژن ipt ايزوپنتيل ترانسفراز از Agrobacterium tumefacines، ژن كلسترول اكسيداز از قارچهاي استرپتومايسز و ژن pht از Photorhabdus luminescens. ژنهاي مقاوم از گياهان عالي مي¬تواند به دو گرو تقسيم شود (1) بازدارنده¬هاي پروتئيناز و آميلاز و (2) لكتين¬ها، لكتين گل حسرت (GNA)، لكتين نخود، لكتين برنج و غيره. ژن¬هاي مقاوم با منشاء حيواني بازدارنده¬هاي پروتئيناز سرين از پستانداران و كرم شاخدار توتون (Manduca *-*-*-ta) مي¬باشد.
1-1- ژنهاي مقاوم از ميكروارگانيسمها
ژن توكسين Bt : Bacillus thuringiensis (Bt) باكتري حشره¬كشي است كه يك ضد پرتئين توليد مي¬كند. ژن¬هاي Bt، توكسين Bt را كد مي¬كنند، كه داراي طيف وسيعي از فعاليت حشره¬كشي مي¬باشند. اكثر توكسين¬هاي Bt بر عليه لاروهاي بال پولك داران فعال هستند، اما بعضي ها ويژه حشرات راسته دو بالان و قاب بالان هستند. عامل سميت حشره¬هاي Bt يك پروتئين بزرگ مي¬باشد. توكسين¬ها به صورت پروتئين¬هاي كريستالي سيكما توكسين (δ-endotoxins) در درون باكتري در خلال اسپورزايي تجمع مي¬يابند. اين پروتئين¬ها بعد از آلوده كردن حشره حساس، به فرم فعال در مي¬آيند و در نتيجه با اختلال در انتقال يون باعث مرگ حشره مي¬شوند. چندين ژن كه توكسين¬هاي مؤثر بر بال پولك داران را توليد مي¬نمايند، جداسازي شده¬اند. يكي از اين ژن¬ها كه متعلق به B. thuringinesis زير گونه Kurstaki HD-1 مي¬باشد. ژن¬هاي شيمري B. thuringinesis kurstaki داراي پروموتور s35 ويروس CaMV و يك توالي كد كننده براي يك پروتئين تغيير يافته كوتاهتر و فعال همانند ژن كامل، سنتز شده و در گياهان گوجه فرنگي بيان شده¬اند (Fischhoff et al. 1987) مقدار پرتئين حشره¬كش در اين گياهان براي كشتن لاروهاي Manduca *-*-*-ta، Heliothis virescens، Heliothis zea كافي بود. بررسي نتاج گياهان تراريخت نشان داد كه ژن B. thuringinesis kurstaki به صورت يك ژن غالب مندلي تفكيك مي¬يابد. ژن سمي ديگر از B. Thuringinesis، نژاد Berlkiner 1715 ،كلون شده است. اين ژن يك پرتئين Bt2، 1155 آمينو اسيدي را توليد مي¬نمايد. آناليز سطح بيان يك ژن شيمري مبتني بر Bt2 در گياهان توتون نشان داد كه كيفيت سم و فعاليت حشره¬كشي آن با هم ارتباط دارند (Veack et al. 1987). گياهان توتون تراريخت در برابر تغذيه لاروهاي Manduca *-*-*-ta محافظت گرديدند. سم Bt براي حشرات مفيد، پستانداران و انسان مضر نيست. اين ژن به صورت يك ژن غالب منفرد تفرق مي¬يابد.
نژادهاي Bt داراي تنوع گسترده¬اي از ژن¬هاي كد كننده اندوتوكسين سيكما (δ-endotoxins) مي¬باشند. گزارشات مربوط به كلون كردن و تعيين توالي اولين ژن كد كننده پرتئين حشره¬كش در سال 1981 منتشر گرديد. تا كنون بيش از 100 توالي ژن پرتئين كريستالي انتشار يافته است. هريك از پروتئين¬هاي كريستالي طيف فعاليت خاصي دارد. بعنوان مثال، پروتئين Cry1Ab در برابر كرم ساقه خوار اروپايي ذرت شديداً فعال است و در هيبريدهاي ذرت Bt كنوني مورد استفاده قرار مي¬گيرد. پرتئين Cry1Ab براي لاروهاي كرم گياهچه توتون و كرم غوزه پنبه شديداً سمي است و در واريته¬هاي پنبه Bt بيان مي¬شود و اين گياهان را در برابر سوسك كلورادوي سيب زميني حفاظت مي¬نمايد.
سيكما- اندوكسين¬هاي Bt به هر دو صورت (اندازه كامل) و (كوتاه شده) به گياهان انتقال داده شده¬اند و مقاومت تائيد شدهاي را در برابر توتون (M.*-*-*-ta)، آفات گوجه فرنگي Heliothis ( virescens و Helicovera zea) و آفات سيب زميني (Phthorimeae operculella) بوجود آورده¬اند. اولين گياهاني كه توليد شدند، قادر به سنتز پروتوكسين (Protoxin) كامل بودند، اما به دليل بيان ضعيف ژن مقادير كمي دلتا توكسين توليد مي¬شد كه حاصل آن عدم بروز مقاومت و يا مقاومت اندك بود. پيشرفتهاي بيشتر، سرانجام منجر به مطلوب شدن بيان ژن cry در گياهان شد. چند سالي است كه اولين نسل گياهان حشره¬كش براي مقاصد تجاري وارد بازار شده است.
1-2- ژن¬هاي مقاومت منشاء گرفته از ميكروارگانيزم¬هاي ديگر
پروتئين كلسترول اكسيداز (Co) موجود در كشت *-*-*-*-*- شده Sterptomyces بر لارو شپشك غوزه اثر سميت حاد دارد. اين ژن به گياهان توتون منتقل گرديده است. ژن ايزوپنتيل ترانسفراز (ipt) Agrobacterium tumefaciens يك آنزيم كليدي در مسير بيوسنتز سيتوكينين كد مي¬نمايد. بيان ipt در توتون، گوجه فرنگي توسط يك پروموتور القاء شونده توسط زخم (wound inducible promoter) سبب كاهش تغذيه كرم شاخدار توتون (M. *-*-*-ta) از برگ¬ها و كاهش بقاي شته سبز هلو شده است.
1-3- ژن¬هاي مقاومت از گياهان عالي
همچنانكه سموم Bt با موفقيت به درون گياهان مهندسي مي¬شوند، تلاش¬هايي نيز در جهت كشف ژنهاي سموم حشره¬كش غير Bt صورت مي¬گيرد. تعدادي از پروتئين¬هاي حشره¬كش غير Bt در احتياجات غذايي حشرات مداخله مي¬نمايند. دو گروه عمده از ژنهاي با منشاء گياهي وجود دارد كه براي ايجاد مقاومت به حشرات در گياهان زراعي از طريق به تاخير انداختن رشد و نمو حشره مورد استفاده قرار مي¬گيرند.
1-3-1- بازدارندههاي پروتئيناز (Proteinase inhibitors)
از سال 1938 مشخص شده است كه گياهان داراي پپتيدهايي هستند كه به عنوان بازدارنده¬هاي پروتئيناز عمل (PIPs) مي¬نمايند. پروتئينازهاي مختلف عبارتنداز پروتئينازهاي سرين، سيستئين، آسپارتيك و متالو. پروتئينازها آزاد شدن اسيدهاي آمينه از پروتئين جيره غذايي را كاتاليز مي¬نمايند، و به صورت مواد مغذي ضروري براي رشد و نمو حشرات را تامين مي¬نمايند. بازدارنده¬هاي پروتئيناز با مداخله در عمل آنزيمهاي هضمي حشره، آن را از مواد مغذي ضروري محروم مي¬سازند. به دو نمونه از ژن بازدارنده پروتئيناز در ذيل به آنها اشاره شده است:
الف) بازدارنده ترپسين لوبيا چشم بلبلي (CpTI) (Cowpea trypsin inhibitor gene)
CpTI كه در لوبيا چشم بلبلي (Vigna unguiculata) يافت مي¬شود، فعالترين بازدارنده¬اي است كه تاكنون شناسايي شده است. اين ژن بازدارنده مواد آنتي متابوليتي توليد مي¬نمايد كه سبب محافظت در برابر سوسك ( Callosobruchus maculates)كه يك آفت انباري اصلي است، مي¬شود. علاوه بر اين، اين ژن همچنين براي حشرات متعددي از خانواده بال پولكداران (Heliothis virescens)، ( Manduca *-*-*-ta) قاب بالان (Callosobruchus، Antonomous grandis) و راست بالان (Locusta migratoria) مضر است، اما براي پستانداران بيضر مي¬باشد. ژن CpTI كلون شده و ساختارهاي حاوي پروموتور S35 ويروس CaMV و يك كلون cDNA با طول كامل bp550 از آن براي تراريخت نمودن ديسكهاي برگي توتون مورد استفاده قرار گرفت. آزمايش سنجي براي فعاليت حشره¬كشي گياهان توتون تراريخت با كرم غوزه پنبه (Heliothis zea) انجام شد. بقاء حشره و ميزان خسارت وارده به گياه، در گياهان تراريخت در مقايسه با گياهان شاهد، بطور واضحي كاهش يافت.
ب) بازدارنده آلفا – آميلاز (α-amylase inhibitor)
سه ژن بازدارنده آلفا- آميلاز در توتون بيان شده¬اند، اما تاكيد اصلي بر روي انتقال ژن بازدارنده آلفا – آميلاز (AI-Pv) α جدا سازي شده از لوبيا ( Phaseolus vulgaris) بوده است. اين ژن بر عليه Zabrotes subfaciatus و Callosobruchus chinesis عمل مي¬نمايد. اين پروتئين بازدارنده آلفا- آميلاز، تغذيه لاروي را در بخش مياني لوله گوارش را بلوكه مي¬نمايد. لوله گوارش لارو يك آنزيم آلفا-آميلاز ترشح مي¬كند كه نشاسته را هضم مي¬نمايد. با اضافه كردن يك پروتئين، كه آلفا- آميلاز روده حشرات را متوقف نمايد، شپشه دچار گرسنگي شده و مي¬ميرد.
1-3-2- لكتين¬ها (Lectins)
لكتين¬ها خانواده بزرگ ديگري از پروتئين¬ها هستند كه مي¬توانند بعنوان سموم ضد حشره براي مهندسي ژنتيك مقاومت به حشرات مورد استفاده قرار گيرد. لكتين¬ها گليكوپروتئينهاي گياهي هستند. توجهات اخير بطور عمده بر روي لكتين Galanthus nivalis كه به GNA نيز معروف است، متمركز شده است، زيرا كه فعاليت ضد شته از خود نشان مي¬دهد. ژن اين پروتئين، با موفقيت در مطالعات مهندسي ژنتيك مورد استفاده قرار گرفته و در گونه¬هاي گياهي مختلفي همچون سيب زميني، و گوجه فرنگي بيان شده است. آزمونهاي آزمايشگاهي با سيب زميني تغيير يافته نشان داد كه GNA، مرگ و مير را افزايش نمي¬دهد، اما سبب كاهش قابل ملاحظه¬اي در باروري مي¬شود. يك ويژگي مهم اين پرتئين اين است كه بر عليه حشرات مكننده و نفوذ كننده نيز عمل مي¬نمايد. با اين وجود، يك عيب آن اين است كه اين پرتئين زماني خوب عمل مي¬كند كه به مقادير فراواني بلعيده شود، يعني زمانيكه حشره در معرض مقادير ميكروگرمي اين پروتئين در آزمايشات زيست سنجي در جيره غذايي قرار داده مي¬شود. بنابراين، اگر چه كه چند ژن كد كننده لكتين (آگلوتينين جنين گندم و لكتين برنج ) در گياهان تراريخت بيان شده¬اند، ولي تاثير حشره¬كشي آنها بسيار كمتر از آن است كه مؤثر واقع شوند.