ژنتیک در گیاهان :

مقاومت به علفکش های گلیفوسیت و سولفونیل اوره، با استفاده از ژن های کد کننده آنزیم های هدف جهش یافته، به ترتیب برای 5- انول پیروویل شیکیمات- 3 – فسفات سنتتاز (EPSPS) و استولاکتات سنتاز (ALS) بدست آمده است.

این دو آنزیم در مسیرهای بیوسنتز اسیدهای آمینه فعالیت می نمایند. مقاومت به گلیفوسیت با استفاده از ژن gox که علفکش را خنثی می نماید، ایجاد شده است. این ژن از یک نژاد باکتریایی آکروموباکتر جداسازی گردیده است. گیاهان مقاوم به گلیفوسینات آمونیوم با استفاده از ژن های باکتریایی کد کننده فسفینوتریسین استیل ترانسفراز (PAT) که فسفینوتریسین را به فرم استیله تبدیل می نماید، تولید شده اند.

(Poirire et al. 1995). گیاهان تراریخت مقاوم به علفکش های متعددی نظیر فسفینوتریسین (بیالوفوس)، گلیفوسیت، سولفونیل اوره، ایمیدازولینونها، بروموکسنیل، آترازین، توفوردی، ستوکسیدیم و غیره در گونه های مختلفی از گیاهان زراعی، سبزیجات و گیاهان زینتی و باغی تولید گردیده است. گیاهان تراریخت مقاوم به علفکش در گیاهان زراعی متعددی گزارش شده اند، اما در پنبه، کتان، کلزا، ذرت و سویا، این گیاهان تا به حال برای کشت وکار در سطح تجاری تولید شده اند و این فهرست به سرعت در حال گسترش است.

گیاهان زراعی تراریخت مقاوم به علفکش، 55% از سطح جهانی در حدود 8/12 میلیون هکتار، تحت پوشش گیاهان تراریخت را در سال 1997 به خود اختصاص داده بودند. بخش عمده این سطح 55 درصدی به سویای مقاوم به علفکش (40%) و کلزا (10%) اختصاص داشت و سهم پنبه و ذرت به ترتیب 3% و 2% بود (James 1997).

تولید گیاهان تراریخت برای بهبود کیفیت
1) گیاهان تراریخت برای بهبود کیفیت انباری
اولین موفقیت فروش تجاری یک فراورده غذایی، برای گوجه فرنگی تراریخت فلاور ساور با تاخیر در رسیدگی میوه بود که توسط شرکت کالژن ایالات متحده آمریکا در سال 1994 تولید شد. بهبود کیفیت ذخیره سازی یا عمر قفسه ای طولاتی تر گوجه فرنگی که یک ویژگی مطلوب در فن آوری غذایی است با استفاده از دو راهکار امکانپذیر است: (1) تکنولوژی RNA آنتی سنس و (2) استفاده از ژن آمینو سیکلوپروپان- 1- کربوکسیلیک اسید (ACC) دآمیناز را به اتیلن تجزیه می نماید. کالژن از RNAی آنتی سنس مکمل ژن کد کننده آنزیم پلی گالاکتوروناز (PG) استفاده کرد. بر اساس توالی ژن PG، یک ژن PG آنتی سنس ساخته شد و گیاهان گوجه فرنگی توسط آن تراریخت شدند. این گیاهان گوجه فرنگی تراریخت، هر دو نوع RNA سنس و آنتی سنس را برای ژن PG تولید نمودند که منجر به جفت شدن RNA-RNA شد. این امر منجر به عدم تولید فراورده ژن PG شد. بدین ترتیب از حمله ژن PG به پکتین دیواره سلول های میوه در حال رسیدن و در نتیجه از نرم شدن میوه ممانعت بعمل آمد. کالژن، گوجه فرنگی تراریخت خود را رقم مک گریگور نامید و بر اساس اظهارات شرکت، این گوجه فرنگی بدون نرم شدن قادر است دو هفته بیشتر در قفسه فروشگاه دوام بیاورد.

هورمون گیاهی اتیلن، نقش عمده ای در فرایند رسیدن میوه ها و پیری گل ها بر عهده دارد. در بیوسنتز اتیلن، دو آنزیم ACC سینتاز (ACS) و ACC اکسیداز (ACO) به ترتیب تبدیل اس- آدنوزین متیونین (SAM) به 1- آمینو سیکلوپروپان- 1- کربوکسیلیک اسید (ACC) و تبدیل (ACC) به اتیلن را کاتالیز می نمایند. ژن های کد کننده ACS و ACO (aco, acs) از گونه های زیادی کلون شده اند. شرکت مونسانتو، مشکل کنترل اتیلن را با تولید گوجه فرنگی های مهندسی شده ژنتیکی برای بیان یک ژن از باکتریهای Pseudomonas مرتفع ساخت. آنزیمی که این ژن کد می نماید قادر است ACC را به متابولیت های غیر از اتیلن تبدیل نماید (Klee 1993) که در نتیجه مثل RNAی آنتی سنس منجر به تاخیر در رسیدن میوه می شود.

به طور مشابه، تولید اتیلن در گوجه فرنگی توسط بیان بیش از حد ژن کد کننده SAM هیدرولاز که از باکتریوفاژ T3 جداسازی گردیده است، کاهش داده شد. شرکت های متعددی همچون ذنکا، تکنولوژی DNA گیاهی امریکا، مونسانتو، پیونر- برد و لیماگریانزویلمورین در حال تولید گوجه های فرنگی تراریخت و غیر تراریخت به منظور افزایش طول عمر قفسه ای می باشند.
2) گلهای تراریخت با عمر بییشتر
عمر پس از برداشت بسیاری از گل ها، با شروع پیرشدن گلبرگها مشخص می گردد. مشخصه پیرشدن گلبرگها در میخک پیچ خوردن آنها است. پیچ خوردگی برگ ها در پاسخ به منابع اتیلن خارجی نیز مشاهده می شود (Cornish 1995). ساوین و همکاران (1994)، با استفاده از یک کلون cDNA برای ACC اکسیداز (aco)، میخک های تراریختی تولید کردند که از بیان ACC اکسیداز آنتی سنس برخوردار بوده و گل هایی با اتلین بسیار اندک تولید نمودند. این عمل، عمر گلدانی گل ها را تا 200 درصد افزایش داد. تنها گل بریده ای که تا سال 1997، تائیدیه آزادسازی در سطح تجاری دریافت نمود، میخک طویل العمر برای آزمایشات مزرعه ای در هلند و آزمایشات گلخانه ای در ایالات متحده آمریکا صادر گردیده است. گیاهان میخک طویل العمر تراریخت با ژن سنس acs نیز در استرالیا تائیدیه کشت دریافت نموده اند.

3) گیاهان تراریخت برای رنگ گل
از آنجا که مصرف کنندگان گل ها جذب محصولات جدید می شوند، رنگ گل مد نظر بیوتکنولوژی قرار گرفته است. آنتوسیانین ها رنگدانه های اصلی گل در گیاهان عالی می باشند. تولید گل های آبی رنگ در گونه های نظیر رز و میخک که این رنگها بطور طبیعی در آنها پدید نمی آیند، یکی از اهداف اصلی بوده است. دلفینیدین یک رنگیزه آنتوسیانینی است که معمولاً منجر به ایجاد رنگ آبی می شود. یک گروه تحقیقاتی از فلوریژن در استرالیا، ژنی را از Petunia hybrida شناسایی و کلون نمودند که یک فلاونوئید ´3 و '5 هیدروکسیلاز را کد می نماید که برای بیوسنتز دلفینیدین ضروری است ( Stevenson and Cornish 1993). این تغییر، اطلاعات مهم و ضروری را برای تولید گیاهان تراریخت با گل های حاوی رنگیزه های آبی فراهم می آورد.گستره ای از میخک های بنفش مهندسی شده ژنتیکی در مرحله آزاد سازی تجاری قرار دارند.

4) گیاهان تراریخت برای نرعقیمی
نرعقیمی در گیاهان هم به صورت ژنتیکی هم به صورت سیتوپلاسمی توارث می یابد. نرعقیمی سیتوپلاسمی (cms) بدلیل نقص در ژنوم میتوکندریایی می باشد. معمولاً cms با نقص در عملکرد بافت مغذی بساک مرتبط است که مواد مغذی را به دانه های گرده در حال نمو می رساند. بخش های ماده این گیاهان، باروری خود را حفظ می نمایند. گیاهان تراریخت با نرعقیمی و تجدید باروری در Brassica napus تولید شده اند (Mariani et al. 1990). در توتون نیز، با استفاده از یک ژن جهش یافته میتوکندریایی نرعقیمی وارد شده است. این عمل با انتقال یک ژن ریبونوکلئاز صورت گرفت. یک ژن هیبرید با یک توالی کدکننده ریبونوکلئاز و یک پروموتور اختصاصی بافت تغذیه کننده ساخته شد. ماریانی و همکاران (1990) یک ساختار ژنی ساختند که دارای یک پروموتور اختصاصی بساک از ژن TA29 توتون و یک توالی باکتریایی کد کننده ریبونوکلئاز از ژن Barnase باکتری Bacillus amylolique facines بود. فراورده ژن Barnase یک آنزیم نوکلئاز است که سمیت سلولی ایجاد نموده و فقط سلول های بافت تغذیه کننده را از بین می برد. بدین ترتیب از نمو دانه گرده ممانعت نموده و سرانجام منجر به نرعقیمی می شود. با استفاده از این ساختار ژنی (TA-29-RNase)، در توتون، کاهو، گلکلم، پنبه، گوجه فرنگی و ذرت گیاهان تراریخت نرعقیم تولید شده است. معذالک محدودیتی که برای این این روش وجود دارد این است که گیاهان تراریخت از نرعقیمی دائمی برخوردارند و تلاقی با یک لاین تجدید کننده باروری، نرباروری را در آنها تجدید نمی نماید. بعدها گزارش شد که تلاقی این گیاهان تراریخت با یک گروه دیگر از گیاهان تراریخت که یک ژن شیمری بازدارنده ریبونوکلئاز تحت کنترل یک پروموتور اختصاصی بافت تغذیه کننده درآانها بیان می شد، می تواند نرباروری را در آنها تجدید نماید. ماریانی و همکارائ در تحقیق دیگری (1992)، ساختار ژنی Barstar را از Bacillus amyloliguifacienes با پروموتور TA-29 برای تولید گیاهان تراریخت نربارور در B.napus مورد استفاده قرار دادند. فراورده ژن Barstar، یک بازدارنده ریبونوکلئاز است که با آنزیم ریبونوکلئاز تشکیل کمپلکس می دهد و اثر سمیت سلولی آن را خنثی می نماید. وقتی که گیاهان نرعقیم (ژن Barnase) با گیاهان نربارور (ژن Barstar) تلاقی داده شدند، گیاهان F1 بدلیل تجدید باروری حاصل از توقف فعالیت سمیت سلولی ریبونوکلئاز در بساک ها در اثر تشکیل کمپلکس RNase/ بازدارنده RNase بارور شدند. این سیستم برای تولید بذر هیبرید مورد استفاده قرار گرفت.

گیاهان تراریخت برای بذر خاتمه دهنده
به آن تکنولوژی که قابلیت حیات یا باروری بذور را پس از یک مدت معین خاتمه می دهد، به آن تکنولوژی خاتمه دهنده و به ژن دخیل در این پدیده ژن خاتمه دهنده می گویند. تکنولوژی خاتمه دهنده، به دلیل حق انحصار (شماره 5723765) بر" کنترل بیان ژن گیاهی" که توسط اداره ثبت انحصارات ایالات متحده در سوم مارس 1998 برای سازمان کشاورزی ایالات متحده آمریکا و شرکت آمریکایی دلتا و پین لند صادر گردید، توجه زیادی را به خود جلب نموده است. این حق انحصار برای هر ژن جدیدی نبود، بلکه برای ژن های معینی صادر و برای کنترل مکانیزم هایی جهت خاتمه دادن به بیان صفات مورد نظر در نسل اول یا نسل های بعدی گیاهان اعطا شد.
تکنولوژی خاتمه دهنده، مبتنی بر استفاده از یک ژن کشنده مناسب است که بذور نسل دوم را نابارور می نماید. شرکت تولید کننده، بذور نسل اول را می فروشد که از رشد و نمو و باروری طبیعی بطور کامل برخوردار بوده و گیاهانی سالم با قابلیت تولید بذر و یا میوه تولیئ می نمایند، اما بذور و یا میوه های حاصل از این گیاهان فقط به عنوان غذا قابل استفاده هستند و اگر کشت شوند جوانه نخواهند زد. این پدیده، کشاورزان را مجبور به خریداری بذور تازه از کمپانی بذر برای فصل زراعی بعدی می نماید، زیرا که آنها قادر به استفاده از بذور برداشت شده برای کشت در فصل زراعی بعدی نیستند.
تکنولوژی خاتمه دهنده از سه قطعه DNA یا ژن که اطلاعات ژنتیکی ضروری راحمل می کند، برای انتقال به گیاهان استفاده می کند.

1- ژن خاتمه دهنده (ژن کشنده)
هر ژنی که بتواند یک پروتئین سمی ممانعت کننده از جوانه زنی بذر را در گیاهان تولید نماید می تواند به عنوان ژن خاتمه دهنده مورد استفاده قرار گیرد. یک ژن کشنده، پروتئین بازدارنده ریبوزوم (RIP) را کد می نماید. ژن کشنده کد کننده RIP، در فرایند سنتز پروتئین ها در سلول گیاهی اختلال ایجاد می کند، بدون آنکه برای دیگر موجودات سمی باشد. بنابراین بیان ژن RIP در سلول های جنین، از جوانه زنی بذر ممانعت خواهد کرد. این ژن به یک نوع خاص از پروموتور که در مراحل پایانی نمو بذر فعال می شود، متصل می گردد. وقتی که هدف، بیان صفت مذبور در نسل دوم بذور باشد، پروموتور LEA ایده ال است. چنین پروموتوری فقط پس از کامل شدن رشد رویشی گیاهان نسل اول فعال می شود. برای ممانعت از بیان ژن RIP کشنده در بذر نسل اول، یک توالی بلوکه کننده نیز توسط توالی برشی خاصی (مکان های LOX) ساقدوشی می شود. وقتی که با ایجاد برش های مکان اختصاصی در مکان های LOX مجاور، توالی بلوکه کننده از جایگاه خود خارج می شود، ژن کشنده مستقیماً با پروموتور تماس می یابد و بدین ترتیب در تمام نسل های بعدی در طی مراحل پایانی جنین زایی بروز می نماید.

2- ژن رکومبیناز
ساختار ژنی دوم، شامل یک ژن که آنزیمی بنام رکومبیناز را کد می نماید. این آنزیم قادر به شناسایی توالی های برشی LOX و حذف این توالی ها همراه با توالی بلوکه کننده از ساختار ژنی اول از طریق فرایند نوترکیبی است. یک سیستم توالی برشی رکومبیناز ترجیحی سیستم LOX/ CRE باکتریوفاژ است که در آن، پروتئین CRE (رکومبیناز) نوترکیبی مکان اختصاصی DNA را در مکان های LOX انجام می دهد. این ژن رکومبیناز پشت یک پروموتور متوقف شونده مخصوص یک بازدارنده که توسط ژن سوم کد می گردد، قرار داده می شود. این پروموتور می تواند متوقف شود و بدین ترتیب اگر یک پروتئین خاص در محیط وجود داشته باشد، آنزیم رکومبیناز تولید نمی شود.

3- ژن متوقف کننده
یک ژن سوم، پرتئینی به نام پرتئین بازدارنده را کد می نماید که پروموتور ژن رکومبیناز را در ساختار ژنی دوم متوقف می نماید. خود پروتئین بازدارنده به یک ماده شیمیایی خاص (تتراسایکلن) متصل شود، غیر فعال می گردد. بازدارنده غیرفعال ( یعنی کمپلکس بازدارنده – تتراسایکلن) قادر به متوقف ساختن پروموتور متصل شده به ژن رکومبیناز نبوده و بدبن ترتیب امکان سنتز آنزیم رکومبیناز فراهم می شود.

گیاهان تراریخت به عنوان بیوراکتور
به واسطه تکنیک مهندسی ژنتیک، ترکیباتی با ارزش تجاری که قبلاً فقط از منابع گیاهی وحشی و یا منابع حیوانی و میکروبی تامین می گردند، امروزه از طریق تکنیک مهندسی ژنتیک در گیاهان اهلی تولید می شوند. گیاهان تراریخت می توانند به عنوان بیوراکتورهای زنده برای تولید ارزان موادشیمیایی و دارویی عمل نمایند که این پدیده به زراعت مولکولی معروف می باشد. با استفاده از روش زراعت مولکولی می توان کربوهیدراتها، اسیدهای چرب، پلی پپتیدها، واکسن ها، آنزیم های صنعتی و پلاستیک های قابل تجزیه زیستی را در سیستم های گیاهی تولید نمود.

کربوهیدراتها
نشاسته یکی از اجزای سلول های گیاهی است. نشاسته های مهندسی شده با مقدار آمیلوز کاهش یافته یا مقدار نشاسته افزایش یافته در سیب زمینی تائید شده اند. همچنین پیش سازه های نشاسته ای نیز مجدداً در جریان مسیرهای بیوسنتزی کربوهیدراتهای ذخیرهای دیگر قرار داده شده اند. گیاهان توتون و سیب زمینی که توانایی ذخیره فروکتان را نداشتند، برای تجمع فروکتان، با ژن فروکتوزیل ترانسفراز از Bacillus subtilis تراریخت شده اند. تلاش هایی نیز برای تولید ترکیبات جدید از طریق مهندسی ژنتیک صورت گرفته است. گیاهان توتون، با ژن مانیتول -1 – فسفات دهیدروژناز (mt1D) از E.coli تراریخت شدهاند. این تراریخت ها مقدار مانیتول بیشتری تولید نموده و به سطوح بالای شوری تحمل نشان داده اند (Tarczynski et al. 1993). به طور مشابه، ژن میو اینوزیتول- متیل ترانسفراز از Mesembryanthemum crystallinum (گیاه یخ) به توتون انتقال داده شده است، دراین گیاه موجب تولید پینیتول که یک الکل قندی حلقوی مشتق شده از میواینوزیتول است، در این گیاه شود. ترهالوز، یک افزودنی خوراکی می باشد که کیفیت غذاهای خشک و فراوری شده را با خوشمزه تر نمودن آنها بهبود می بخشد. شرکت های بیوتکنولوژی گیاهی، موگن (در لیدن هلند) و کالژن (در دیویس ایالات متحده) سنتز مقدار اندکی ترهالوز را در گیاهان توتون تراریخت گزارش نموده اند.

چربیها
افزایش مقدار اسید چرب اشباع نشده تک ظرفیتی در گیاهان به دلیل افزایش کیفیت غذایی روغن ها یک صفت مطلوب می باشد. وقتی که یک ژن دساتوراز از موش صحرایی به توتون منتقل شد، در گیاهان تراریخت مقدار اسید پالمیتولئیک و اسید اولئیک به ترتیب به نسبت 16:1 و 18:1 افزایش یافت (Grayburn 1992). برای استفاده در ساخت دترژنت ها و همچنین کاربردهای غذایی خاص، ژن تیواستراز از درخت بای کالیفرنیا به آرابیدوپسیس منتقل گردید تا سبب تجمع یک اسید چرب با زنجیره متوسط 12 کربنه به عنوان چربی ذخیره ای در این گیاه شود (Voelker 1992). اولین فراورده غیر خوراکی حاصل از مهندسی زیستی گیاهی که در سطح تجاری تولید گردید، یک واریته کلزای مهندسی شده ژنتیکی که برای تولید اسید لوریک، یک اسید چرب 12 کربنه مورد استفاده در ساخت صابون ها و دترژنت ها تغییر داده شد. بدین منظور محققین فقط به انتقال یک ژن از درخت بای کالیفرنیا نیاز داشتند. این ژن، فرایند سنتز اسید چرب را در مرحله 12 کربنه متوقف نموده و اجازه رشد زنجیره تا مرحله 18 کربنی را که وضعیت عادی برای گیاه است نمی دهد و در عین حال، تاثیر چندانی بر عملکرد ندارد.

پلاستیک قابل تجزیه زیستی
گیاهان تولید کننده پلاستیک تجاری نیز چند سالی بیشتر با ما فاصله ندارند، اگرچه محققان در این زمینه در حال پیشرفت می باشند. پلی هیدروکسی بوتیرات (PHB) که یک پلی استر آلفاتیک با خصوصیات ترموپلاستیک می باشد، در ابتدا با انتقال ژنهای مرتبط با استواستیل- کوآنزیم A ردوکتاز و PHA سنتاز از باکتری Alcaligenes euthophus به Arabidopsis thaliana در گیاهان تولید شد. اگرچه گیاهان تراریخت حاصله ناسالم بوده و مقدار کمی PHB تولید نمودند، اما انتقال اولیه ژن، مؤثر واقع شد. این مشکل با اضافه کردن یک توالی به ژن که سبب می شود آنزیم های تولیدی، وزیکول های ذخیره ای یعنی پلاستیدها را مورد هدف قرار دهند، مرتفع گردید. با انجام این کار، هم مقادیر فراوانی از یک ترکیب پیش ساز اصلی برای سنتز PHB در اختیار آنزیم ها قرار می گرفت و هم سلول گیاهی از اثرات مضر احتمالی تجمع PHB در امان می ماند. در نتیجه، سنتز PHB، بدون اثرا ناخوشایند بارزی بر رشد گیاه یا عملکرد بذر، به میزان 10 برابر افزایش یافت