اصلاح میوتیشنی نباتات

اصلاح میوتیشنی نباتات Mutation Breeding

     میوتشین عبارت ازتغییرناگهانی درمواد ژنتیکی میباشدکه بخشی ازپدیده های اساسی مربوط به حیات راتشکیل میدهد میوتیشن باایجادتنوع درموجودات سبب سازگاری آنها به شرایط ایکولوژیکی مختلف میگرددمیوتیشین ممکن است بصورت خودبخودی یابشکل القایی صورت گیرد.

درطول تاریخ میوتیشن بصورت خودبخودی ( Spontaneous ) دراثربعضی عوامل طبیعی مانند اشعه ماورای بنفش وسایر پدیده های طبیعی اتفاق افتاده است. میوتیشن که توسط انسانها بابکاربردن موادکیمیاوی درموجودات حیه ایجادمی گردد میوتیشن القایی Induced نامیده میشود.

میوتیشن ممکن است به یکی ازحالات زیررخ بدهد :

1-             تغییردرسطح ژن .

2-             تغییردرسطح قطعات ازکروموزوم .

3-             تغییردرسطح کروموزوم ها یاgenome   ( جین های داخل یک مجموعه کروموزوم پایه).

درچند دهه اخیربشر پی برده است که میوتیشن رامیتوان بصورت مصنوعی ایجاد نمود چون تغییرات ناشی ازمیوتیشن کم وبیش بصورت تصادفی است بعضی اوقات کمترمیوتیشنی اتفاق می افتد که سبب بهبود توانایی موجود به بقأ، رشدوتولیدمثل میگردد. دراین حالت حجرۀ که ازنظر مواد ژنیتکی بهبودیافته است دارای مفیدیت بیشتر نسبت به نوع قبلی بوده وممکن است جای گزین نسج یاموجودقبلی گردد .

     بااستفاده ازاین روش موادمتنوع ژنتیکی ایجاد می گردد. ازبین موادژنتیکی جدید، موادی که توافق بهتر بامحیط نشان میدهند باقی مانده وافزایش می یابند وآنهایی که ازقدرت ضعیف توافق برخورداراند ازبین خواهند رفت به این اساس تعدادی ازاصلاح کنندگان نباتات میوتیشن رابشکل مصنوعی درنباتات بوجودآورده وبعدا مزیت های مفید را در آنها جستجومینمایند.

      اکنون جینوتایپ وفینوتایپ نبات تحت کنترول انسان است وهرزمان که لازم بیبیندمیتواند تغییرات دلخواه را برروی آن انجام دهد. خلق و ایجاد میوتیشن ها واستفاده ازآنها برای تولیدورایتی های جدید نباتات زراعتی بنام اصلاح میوتیشنی نباتات یا Mutation Breeding یادمیگردد.

منشاءمیوتیشن

      ازنظرمنشأ دونوع میوتیشن وجوددارد، میوتیشن خودبخودی و میوتیشن القایی .

میوتیشن خودبخودی بصورت خودکار یااتوماتیک درطبیعت اتفاق می افتد وعوامل بوجود آورنده آن میوتیشن طبیعی ،رعد و برق،تشعشعات اتمی ،صدمات ناشی ازآفات و امراض، درجه حرارت وغیره میباشند .

میوتیشن خودبخودی بمقدار حدود 1/1000000 درطبیعت اتفاق می افتد از این مقدارفیصدی بسیارکمی ازتغییرات حاصله مورداستفاده اصلاح کنندگان نباتات واقع میشود لذا اصلاح کنندگان نمی توانند متکی به تغییرات حاصله براثر عوامل طبیعی باشند و از این طریق باانتخاب جینوتایپ های برتر ضرورت غذایی جوامع بشری رابرآورده سازند بنابرین آنها به فکراستفاده ازعوامل دیگری جهت ایجاد میوتیشن بوده اند.

عوامل بوجود آورنده میوتیشن

      درعصرحاضربااستفاده ازعوامل خاص میتوان تغییرات دلخواه رادرنبات ایجاد کرد بدون اینکه احتیاج به دورگه سازی وعملیات بعدازدورگه سازی باشد .

     عوامل زیادی میتواند باعث ایجاد میوتیشن درنباتات گردند که این عوامل بنام مواد تولید کننده میوتیشن یا Mutagen یاد میگردند. بعضی ازآنها درطبعیت وجود دارند که سبب میوتیشن خودبخودی میگردند. تعدادکمی از میوتاژن های شناخته شده برای ایجاد میوتیشن درنباتات بکار رفته اند. معمولا میوتاژن ها بدودسته تقسیم میشوند :

الف: میوتاژن های فزیکی (تشعشعات).

ب :میوتاژن های کیمیاوی .

میوتاژن های فزیکی

    میوتاژن های فزیکی معروف انواع مختلف اشعه ها میباشند اصلاح کنندگان غالبا ازاشعه الفا ،گاما ،بیتا (ذرات منفی ) ،اشعه ماوراء بنفش واشعه نیوترون به عنوان میوتاژن استفاده میکنند ولی تأثیرات نسبی بیولوژیکی نیوترون سریع وبیشتر ازاشعه های X وگاما است. اشعه های X و گاما ترجیحاً برای اشعه دادن تخم ها یا انساج نموی نبات استفاده میشوند  اشعه گاما طول موج کوتاه تر ولی انرژی بیشتر نظر به اشعه X   دارد . از اشعه گاما اکثرا درگل خانه ها اتاقک ها ی رشد ومزرعه برای اشعه دادن به یک نبات کامل استفاده میشود زمانیکه اشعه X ازداخل انساج نبات عبورمیکند اتم هاراتوسط جداکردن الکترونها آیونایز میکند. برخوردتشعشعات آِیونیزه باانساج نبات به شکستن کروموزوم ویا تغییر در ژن منجرمیگردد . اشعه X نیزباعث تغییرات کیمیاوی درمحیط اطراف کروموزوم هامیشود. از نور ماورای بنفش بیشتربه عنوان عامل میوتاژن درمقابل گرده یا Pollen استفاده شده واین نورتوسط چراغهای مخصوص تولید میگردد.

جدول ذیل وضعیت میوتاژن فزیکی را که دراصلاح نباتات استفاده میشو ند نشان میدهد.

شماره	میوتاژن	منبع	خصوصیات	نفوذ در انساج	ذرات ایونایز کننده	موارد استفاده
1	اشعه X	دستگاه تولید اشعه X	الکترو مقناطیس وآیونایز کننده	از کم تا چندین Cm	الکترون	دانه،بوته و قلمه کوچک
2	اشعه گاما	رادیو ایزوتوپ ها	//	زیاد ( به سانتی متر)	//	دانه،بوته و قلمه کوچک یا گیاه
3	اشعه نیوترون( تند،آرام و حرارتی)	راکتور های اتمی	خنثی و آیونایز کننده	زیاد	پروتون	دانه ، قلمه وغیره
4	اشعه بیتا	رادیو ایزوتوپ	الکترومقناطیس و آیونایز کننده قوی	خیلی کم	الکترون	دانه و گیاه
5	اشعه الفا	رادیو ایزوتوپ	هسته هلیوم	خیلی کم	-	دانه
6	اشعه ماورای بنفش	لامپ UV	الکترومقناطیس غیر آیونایز کننده	خیلی کم	-	دانۀ گرده و اسپور ها.

میوتاژن های کیمیاوی

    اکثراصلاح کننده گان به منابع اشعه مؤثردسترسی ندارند مگرموادمیوتاژن کیمیاوی به آسانی دراختیاراصلاح کننده قرارگرفته و علاوه برآن مؤثریت شان نظر به تشعشعات بیشتر بوده هم چنان  میوتاژن های کیمیاوی نسبت به منابع تولید اشعه کم خطر میباشد لذا استفاده ازاین موادبیشتر معمول است . ازبین 30 تا 40  میوتاژن کیمیاوی موجود تعداد ازآنها قویتر -

ومناسبتر هستنداین میوتاژن ها عبارتنداز:

1-                          Ethyl – Methane – Sulphonat (E.M.S).

2-                          Diethyl Sulfure (D.E.S)

3-                          Ethylenimine (E.L).

4-                          N- nitrose –N–Metyl Urethane (NMUT).

5-                          N –nitrose –N–Methyl Urea     (NMU).

6-                          N-nitrose -N- Ethyl Urethane (NEUT).

7-                          N- Nitrose - N- Ethyl Urea       (NEU).

    ازاینکه موادفوق الذکر جزء ترکیبات سرطان زاء شناخته شده اند نهایت دقت دراستفاده ازآنها توصیه میشود

ازموادکیمیاوی دیگرمانند 5- Bromouracil  ، مالک هیدرازید MH ،سودیم ازاید NaN3 ، به عنوان میوتا ژن استفاده میگردد. ازسودیم ازاید NaN3 برای ایجاد میوتیشن درجو ،نخود فرنگی ونباتات دیپلویید استفاده شده است ولی استعمال آن درگندم ویولاف پولی پولوییدی مؤثرنبوده است .

قسمت هاواندام های نباتی که تحت تأثیرموادمیوتاژن قرارمیگیرند

     قسمت های که میتوانند تحت تأثیرموادمیوتاژن قرارگیرندعبارتندازتخم ،نهال ،قلمه ودانه گرده .

تخم : تخم کهنه نسبت به تخم جوان بهتر وبیشترتحت تأثیر موادمیوتاژن قرار میگیرد . بهتر است مقدار رطوبت تخم در حد نورمال باشد و تخم نباید زیاد کهنه ویا تازه باشد.

جوانه یا نهالی : نبات درهرمرحله ازنمومیتواند تحت تأثیر مواد میوتاژن قرار گیردامانهالی وانتقال جوانه ها ازمزرعه بداخل گلدان هاویابرعکس ازگلدان هابدرون مزرعه آسان میباشد .نبات بالغ حساسیت کمتر نسبت به مواد میوتاژن دارد ازجانب دیگرانتقال نبات به محل تشعشعات ویاانتقال منبع تشعشعات به محل نبات مشکل است فقط بااستفاده  ازبعضی موادکیمیاوی میتوان نبات بالغ راتحت تأثیر قرارداد.

قلمه : درگلها ودرختان میوه که ازطریق تکثیرغیرجنسی تولید مثل میکنند میتوان قلمه های مناسب راتحت تأثیرمیوتاژن قرارداد .

دانه گرده :زمانیکه بخواهیم درگمیت ها میوتیشن راتولید کنیم بهتراست که تقسیمات میوسیز راتحت تأثیر قراردهیم زیراکه دراین مرحله بسیارحساس اند.

اینکه بریدرچه قسمت های ازنبات را باید تحت تأثیرمیوتاژن قراردهد وابسته به ساختمان ژنتیکی نبات وحساسیت آن به میوتاژن است. بعضی ازنباتات نسبت به تشعشعات زیادمقاوم هستند ولی تعداددیگر به همان میزان ( Dosage)  ممکن است خیلی حساس باشند. اکثرعلماء نسلگیری به این نظراند که نباتات که تعدادکروموزوم شان بیشتر است به مواد میوتاژن حساستراند ضمناً مشخص شده است که درهتروزایگوت ها فیصدی میوتیشن نسبت به لاین خالص بیشتر است بنابرین براساس تجارب بدست آمده توصیه میشودکه موادهایبرید (نباتات هایبریدنسل اولیه ) رادرمعرض میوتاژن های گوناگون قراردهیم تانباتات Mutant بیشتررابدست آوریم برای موفقیت کارباید اصلاح کننده ازساختارژنتیکی نبات و حساسیت نبات به میوتاژن معلومات کافی داشته باشدومقداراستعمال میوتاژن رابداند .

طرق استعمال میوتاژن ها :

1-              عوامل فزیکی : تمام نبات یاقسمت ازآنرا میتوان تحت تابش اشعه  قرارداد البته برای تشعشع دا دن تمام نبات ویا اعضای بزرگ نبات ضرورت به تجهیزات مخصوص میباشد . برای تشعشع دادن اعضای نمویی مانند ساقه های جانبی درختان میوه استفاده ازاتاقک ها ی کوچک بامنابع مؤلد گاما همراه باکنترول شرایط محیطی مناسب است .جهت اشعه دادن گرده نیز ازتابش های آیونایزکننده واشعه ماورای بنفش استفاده میشود نظر بدلایل ذیل تشعشع دادن تخم نسبت به سایر قسمت های نبات بیشتراستفاده شده است :

الف :تابش اشعه به تخم آسان بوده ونگهداری اینگونه تخم ها نیزبه آسانی صورت گرفته میتواند.

ب : تخم ها رامیتوان به آسانی تروخشک نمود یادرمعرض گرما یا سرما قرارداد .

ج : تخم هارامیتوان بمدت طولانی تردرقسمت خلاءتقریبا عاری ازآکسیژن ویا تحت فشارزیادآکسیژن و یاسایرگازهاقرارداد.

د : تخم خشک ازلحاظ بیولوژیکی دچارخساره نمی شود .

2-عوامل کیمیاوی : ازمیوتاژن کیمیاوی عمدتا درمقابل  تخم استفاده شده وخیلی به ندرت جوانه و قلمه با استفاده ازاین روش واین مواددچارمیوتیشن میشوند. تخم چه به حالت خشک و چه درحالت جوانه زدن درماده کیمیا وی میوتاژن غوطه ورشده میتواند. همچنین میتوان موادکیمیاوی رادرتماس با سایر اعضای نبات مانند ساقه ،برگ ویاگل قرارداد بنابرحساس بودن ریشه به موادمیوتاژن ،میوتاژن ها رانباید به محیط کشت مصنوعی اضافه کرد.

دانه گرده رانیزممکن درمعرض بخارعوامل میوتاژن قراردادوبعضی ازعوامل کیمیاوی میوتاژن میتوانند میوتیشن های بیشتررانسبت به اشعه ایجادکنندامانتایج مطلوب زمانی بدست می آید که عملیه استعمال میوتاژن های کیمیاوی به دقت وتوجه کافی صورت گیرد، مواد کیمیاوی به غلظت مناسب استعمال گردد . مدت زمان قرارگرفتن اعضای نبات درمعرض مواد کیمیاوی، درجه حرارت ،pH  محلول میوتاژن ومقدار رطوبت بصورت درست عیارگردد.سایر عوامل که درتأثیر مواد کیمیاوی میوتاژن مؤثر اند شامل نوع نبات ومیوتاژن مورداستفاده میباشد بخاطر جلوگیری از واردشدن خساره به تخم لازم است که تخم رابعد ازمعامله کردن با مواد کیمیاوی بخوبی شستشوکرد چنانچه بذرتخم بلافاصله بعد ازمعامله کردن مدنظرنباشد باید آنها راخشک کرد اما دراستفاده ازبعضی میوتاژن مانند  EMS خشک کردن تخم بعد از معامله نمودن با میوتاژن  سبب خسارۀ  بیشتر گردیده حتی منجر به ازبین رفتن کامل تخم میگردد.

تفاوت بین میوتاژی های کیمیاوی وفزیکی واستعمال آن دراصلاح نباتات

شماره	میوتاژن های فزیکی	میوتاژن های کیمیاوی
1	درنباتاتیکه تکثیرنموی دارند بسیارمفیدمیباشد	درنباتات که ازطریق تخم تکثیرمیشوندمفید اند
2	تهیه وسایل وتجهیزات آن بسیارگران است	ارزان واقتصادی است
3	بی خطرمگرآندسته ازاشعه های که به وسیله ایزو توپ ها تولید میشوند	خطرناک بوده واکثرآنها سرطان زاءمیباشد
4	بکارگیری آنها آسان است.	استفاده ازآنها مشکل بوده حتی دربعضی موارد غیرممکن میباشد .
5	بطورتصادفی باعث شکستن کروموزوم میگردد	محل خاص ازکروموزوم ها راقطع مینماید .
6	کمترباعث شکستن کروموزوم ها شده بیشتر نو ترکیب می نماید	بیشترباعث شکستن کروموزوم وکمتر نوترکیب میدهند.
7	باعث تغییرات بین کروموزوم ها میشود. (ترانس لوکیشن)	تغییرات دردرون یک کروموزوم ایجاد مینماید                                                                  مثل میوتیشن ژنی ، مضاعف شدن و نقض کروموزومی
8	نفوذآنها درانساج به استثنای اشعه های U.V خیلی زیاد است	نفوذ آنها درانساج خیلی کم میباشد.
9	استفاده ازآنها بجزایزوتوپ ها اثرات سوء بعدی ندارد.	باقی ماندن موادکیمیاوی درانساج ممکن است اثرات سؤ در آینده داشته باشد

زمان وطرق بذر تخم های که تحت تأثیر میوتاژن قرارگرفته اند:

    ذخیره نمودن تخم های که بامواد میوتاژن معامله شده باعث صدمه دیدن تخم وکاهش فیصدی جوانه زدن درتخم میشود بنابرین بهتراست که تخم ها رابلافاصله بعدازمعامله نمودن  درمزرعه کشت نمود واطراف آنها راباکشت نبات عادی محاصره نمود به این ترتیب نسل اول بدست می آید. هدف ازکشت نباتات عادی دراطراف نباتات معامله شده بامیوتاژن این است که نباتات متذکره راازسایر نباتات مزروعی جدا سازند ومشاهده میوتیشن نیز آسان گردد.ثانیاً میتوانیم نباتات میوتانت رابامواداولیه مقایسه کنیم ومیوتانت هارابه آسانی تشخیص نمایم .

بعدازتأثیرمیوتاژن درنسل اول چهارنوع اثرراممکن است مشاهده کنیم :

1-                                      مرگ نبات .

2-                                      کاهش رشد ونمو.

3-                                      اختلالات ظاهری نمویی .

4-                                      تغییرات ژنتیکی .

    درحالت اول نباتات میمیرند بنابرین نباتی برای انتخاب باقی نمی ماند درحالت دوم وسوم ممکن است نبات تغییرات ژنتیکی رامتحمل شده و یا نشده باشد تغییرات ژنتیکی حقیقی گرچه کم هستند امابرای اصلاح نباتات بسیارمفید میباشد میوتیشن ممکن است  ژنی ،سایتوپلازمی ویا کروموزومی باشد. همچنان ممکن میوتیشن از سمت الل غالب به الل مغلوب  و یا از سمت مغلوب به غالب باشد  که سمت مغلوب آن معمولتر است و زمانی ظاهری میشود که دریک مکان ژنی هردوالل مغلوب باشد .

    درنسل اول تخم همه نباتات راکه احساس میکنیم تغییردرآنها صورت گرفته ویا همه جمعیت راکه تخم تولید میکنند بصورت جداگانه برداشت کرده وبرای تحقیقات بعدی بطورجداگانه نگهداری میکنیم ودرنسل بعدی بشکل قطارمیکاریم وعمل انتخاب راانجام میدهیم انتخاب راچندین بارتکرارمیکنیم تا نباتات مطلوب بدست آید .

نامگذاری نسل های حاصل ازمیوتیشن

     جهت تمایز نسل های حاصل ازمیوتیشن بانسل های حاصل ازدورگه سازی، نسلهای میوتیشن را با M1، M2 وM3 نشان میدهند نسل M1 با جوانه زدن تخم معامله شده با میوتاژن شروع میشود درنسلM1 فقط میوتیشن های غالب ظاهرمیشوند. نباتات M1 برای ژن های میوتیشن یافته هتروزایگس میباشد که درنسل M2 به فینو تایپ های میوتیشن یافته ومیوتیشن نیافته تفکیک میگردند میوتیشن های مغلوب در نسل M2  بعد  از  Self pollination

  نباتات M1 ظاهر میشوند برای تشخیص ومجزاکردن نباتات میوتانت درنباتات دیگرالقاح درزمان تولید نسل M2 ضرورت به کنترول گرده افشانی میباشد .  بعضی میوتاژن ها سبب کاهش قابل ملاحظه جوانه زدن، نموی بطی جوانه ها وکاهش باروری نباتات M1 میگردند.بنابرین بادرنظرداشت این موضوع لازم است که تاحد ممکن نباتات M1 بارور زیادی راتولید کرد تابدان وسیله بتوان جمعیت نباتی M2  را به اندازه بیشتر بد ست آورد تا انتخاب جهت میوتیشن های  مفید مؤثر واقع گردد. مؤفقیت درکشف جینو تایپ های میو تانت درنسل M2 و نسل های بعدی نه تنها به مؤفقیت در عملی نمودن صحیح معامله تخم نبات  بامیوتاژن و سایر عوامل فوق میشود بلکه برنحوۀ  نمونه برداری وسمپل گیری ازنباتات M1 نیز بستگی دارد .

     میتودهای مختلف مورداستفاده قرارمیگیرد که بیشتر به روش انتخاب ونمونه ژنتیکی نوع نبات بستگی دارد. ولی درعمل اکثرًا انتخاب میتود اصلاحی با توجه به امکانات موجو د مانند فضا ( محیط) ،ماشین آلات ،کارگر  ووقت انجام میگیرد. دراین رابطه روش های متفاوت وجوددارد : درروش اول میتوان نباتات مطلوب نسل M1 راجمع آوری کرد .درروش دیگرنباتات مطلوب نسلM1 را انتخاب کرد .روشی که بیشتر مورداستفاده قرارمیگیرد عبارت از انتخاب اولین خوشه  هاازنباتات M1 میباشد ومعمولا بیشتر تعداد میوتانت رانتیجه میدهد .  جهت یافتن بیشترین تعداد میوتانت مطلوب در M2 ضرورت به استفاده از جمعیت بزرگ درM1 وخانواده های  کوچک M2  میباشد. مؤفقیت درتشخیص میوتانت ها درجمعیت M2  و M3 بستگی به روش تعین میوتا نت دارد .اگرجمعیت  های درحال تفکیک را به عوامل امراض یا آفات مواجه سازیم انتخاب بعدی ماخوبتر خواهد بود به هرحال مؤفقیت کار وابسته به انتخاب مؤثر وحذف مواد نا مطلوب میباشد مطالعات عملی واساسی درا یجاد میوتیشن درنباتات عالی نشان میدهد که هیچ کدام ازجنبه های مورفولوژیکی یا فزیولوژیکی نباتات ازعوامل میوتاژن مصؤن وایمن نیستند زیرا ازنظراصولی امکان القای میوتیشن درهر ژنی وجود دارد و میتوان میوتیشن های که تااکنون درطبیعیت اتفاق نه افتاده ویااینکه رخ دا ده ودرجمعیت فعلی ازبین رفته است ایجادکرد .

نمونه های ازکارهای انجام شده توسط میوتیشن

     درگندم هدف های اصلاح میوتیشنی عبارتند ازافزایش محصول ، مقاومت به امراض خصوصا سرخی، کوتاه بودن ساقه ،ضخامت ساقه ،مقاومت درمقابل چپه شدن وغیره میباشد که نمونه بارز آن اصلاح ورایتی کاپلی است .

کاپلی نوع ازگندم دیورم است که جهت ساختن مکرونی وآش دربسیاری ازکشور ها استفاده میشود. این ورایتی باوجود پرحاصل بودن نسبت به  کود حساس است یعنی افزایش کود باعث طویل شدن ساقه شده ونبات چپه میشود .جهت رفع این نقیصه تخم های کاپلی توسط اشعه نیوترون شعاع داده شده وبعد ازآن آنهایی راکه دارای ساقه قوی ومحصول زیاد وسایر خصوصیات کیفی مطلوب بودند انتخاب شدند .

درجو: افزایش محصول ومقامت به آفات وامراض ا زاهداف عمده اصلاحی آن بوده که یک نمونه قابل ذکر ان ورایتی بونیل است که جوبهاری میباشد و درایالت Utah  امریکا مورد کشت وکارقرار میگیرد. این ورایتی بعد از خرمن کوبیدن هنوز سوغه های خود را حفظ کرده که این مسئله باعث شکایت دهقانان و مالداران گردید. بعداً تخم های این نبات با میوتاژن معامله گردید و در نسل حاصله چند تخم به سادگی از سوغه جدا  شدند که آنها راجمع آوری واین میوتانت ها تحت نام بونیل 70 بعد ازتکثیر دربین دهقانان توزیع شد که این ورایتی جودرمقابل سیاقاق درشرایط مزرعه حساستر میباشد .اینکه چراخصوصیات وصفات دیگر دریک ورایتی میوتانت معین تحت تأثیر قرارمیگیرد معمولا ازدوعلت ناشی میشود یکی ازعلت ها pleiotropy یا چند اثری ژن میوتانت است( pleiotropy عبارت از اثرات فینوتایپی چند گانه یک ژن )  دلیل دوم این است که میوتیشن دربیشتر ازیک ژن واقع شود.

دربرنج : افزایش تیلرنگ ،مقاومت به چپه شدن ،تغیررنگ ،زودرسی وقد کوتا هی ازاهداف اصلاحی با استفاده ازمیوتیشن میباشد.