گیاهان و مهندسی ژنتیک

گیاهان نه تنها اهمیت بسزایی در کشاورزی دارند، بلکه بعضی از گیاهان زینتی و دارویی ارزش اقتصادی بالایی دارند. امروزه از کدئین ، کیتین و دیگوکسین گیاهانی برای ضد درد ، ضد مالاریا و ضد التهاب قلب استفاده می‌شود. با توجه به گسترش علم تکثیر مریستم در جوانه ، نوک ریشه ، گرهک در زمینه تولید پروتئینهای جانوری مانند زنجیره سبک ایمونوگلوبین‌ها ، انسولین ، آلبومین سرم انسانی و ... گامهایی برداشته شده است.
برای جدا کردن ژنها و انتقال آنها به گیاهان وجود یک بانک ژن ضروری است. بدین منظور امروزه بسیاری از ژنهای گونه‌های مطلوب کشاورزی در بانکهای ژن به صورت کلون شده ، نگهداری می‌شود و سپس در مواقع مورد نیاز ژنها به داخل گیاهان تزریق شده و گیاهان ترانس ژن تولید می‌شود. تاکنون بیش از هزاران گونه گیاهی ترانس ژن تولید شده است. در کشورهای اروپایی استفاده از گیاهانی ترانس ژن به دلیل مخالفت نسلهای جدید و تعداد بالای طرفداران محیط زیست فوق‌العاده محدود است.
تاریخچه
استفاده از گیاهان ترانس ژن از سال ۱۹۸۴ گسترش قابل ملاحظه‌ای یافته است. در این سال گروه تحقیقاتی در دانشگاه بلژیک زیر نظر پروفسور مونتاگو و در آلمان زیر نظر پروفسور شل موفق به انتقال ژن به سلولهای گیاهی با استفاده از پلاسمیدهای یک گونه باکتری به نام آگروباکتریوم گردیدند.
تولید گیاه از طریق کشت سلولی
تولید گیاه از طریق کشت سلولی از نظر مهندسی ژنتیک اهمیت زیادی دارد. وقتی گیاه زخمی شود، تکه‌ای از بافت نرم اطراف آن را فرا می‌گیرد که به آن کالوس می‌گویند. اگر قطعه‌ای از این بافت نرم را در محیط کشت همراه با مواد غذایی و هورمونهای گیاهی قرار دهیم، سلولها تقسیم می‌شوند و یک توده سازمان نیافته‌ای از سلولهای تمایز نیافته به نام کالوس ، ایجاد می‌کنند که به این روش کشت کلونی گفته می‌شود.

سلولی از این کشت را می‌توان انتخاب کرد و به محیط کشت جدید انتقال داد. سلولهای موجود در کالوس قادر به دریافت DNA نمی‌باشند، چون دیواره آنها حاوی سلولز است. ولی اگر با آنزیم سلولاز دیواره را از بین ببریم، پروتوپلاست بدست می‌آید. پروتوپلاست قادر به جذب DNA نوترکیب می‌باشد و در ضمن قادر به رشد در محیط مناسب و تبدیل به گیاه کامل نیز می‌باشد.
ساختن گیاهان دو رگه با استفاده از ادغام پروتوپلاستی
برای ایجاد تغییرات ژنتیکی مطلوب در گیاهان بطور کلی دو روش غیر از آمیزش جنسی گیاهان وجود دارد. روش اول انتقال مستقیم DNA به درون پروتوپلاست است. این روش ساده‌تر است و برای خود محاسن و معایبی دارد. به عنوان مثال در بعضی گیاهان به ویژه تک لپه‌ایها بکار گیری حاملهای بیان ژن ، نتایج رضایت بخشی ارائه نمی‌دهد.
در روش دوم ، هنگامی که پرتوپلاستهای دو سلول دیپلوئید با هم ترکیب می‌شوند، یک سلول تتراپلوئید بدست می‌آید، در حالی که در بعضی از گیاهان می‌توان از دانه گروه آنها سلول هاپلوئید تولید کرد و با الحاق چنین پروتوپلاستهای هاپلوئیدی امکان تولید گیاه دیپلوئیدی وجود دارد. شاید بدین طریق بتوان گیاهانی را که از نظر ناسازگاری جنسی دو رگه نمی‌شوند، از طریق الحاق پروتوپلاستی گیاه دو رگه بارور ایجاد کرد. نقش آگروباکتر و پلاسمید Ti در ایجاد تومور تاجی
از میان گروهی از باکتریهای خاک که به عنوان آگروباکتریوم شناخته شده‌اند، چندین گونه وجود دارد که می‌توانند گیاهان را عفونی کنند و سبب ایجاد تاول تاجی در گیاهان شوند. در این حالت یک توده یا کالوس از بافت توموری که در یک حالت غیر تمایزی در محل عفونت رشد می‌کند، ظاهر می‌شود.
هنگامی که سلولهای تاول تاجی درون محیط کشت قرار گیرند، آنها جهت تشکیل یک کشت کالوسی حتی عاری از هورمونهای گیاهی ، رشد می‌کنند. هنگامی که سلولهای تاول تاجی بوسیله آگروباکترویوم به صورت تومور در آمده باشند، حتی اگر تمام آگروباکترویوم را توسط مواد ضد میکروب از سطح گیاه حذف کنیم، سلولهای گیاهی به صورت تومور باقی می‌مانند. القا تومور تاجی در گیاه توسط پلاسمید باکتری آگروباکتریوم صورت می‌گیرد که به داخل گیاه منتقل می‌گردد.

پلاسمید Ti در آگروباکتریوم
پلاسمید Ti مولکولهای حلقوی هستند که دارای بخشهای مختلفی می‌باشند. قسمتی از آن به نام T-DNA وارد گیاه می‌شود، وظیفه T-DNA در داخل گیاه تولید هورمونهای اکسین و سیتوکینین است که باعث رشد تومور مانند قسمت زخم خورده گیاه می‌شوند. همچنین T-DNA یک اسید آمینه غیر ضروری برای گیاه به نام اوپین می‌سازد که این ماده به عنوان منبع ازت ، مورد استفاده خود آگروباکتریوم قرار می‌گیرد.
موتانهای پلاسمید Ti
با توجه به اینکه کروموزم باکتری نیز در ارتباط با برقراری رابطه میان آگروباکتریوم و گیاه نقش دارد، ولی از طریق هیبریداسیون و موتانهای فاقد پلاسمید Ti نشان داده شده است که قدرت ایجاد تومور تاجی وابسته به پلاسمید Ti است. آگروباکتریومی که فاقد پلاسمید Ti باشد، بیماری تاول تاجی ایجاد نمی‌کند. اگر توسط ترانسپوزون‌ها در توالی T-DNA تغییر بوجود آید، یا اوپینها سنتز نمی‌شوند، اما گال بوجود می‌آید و یا تومور القا نمی‌شود، این مطلب نمایانگر آن است که توالی T-DNA در ایجاد تومور موثر است.
انتقال DNA به گیاه از طریق شوک الکتریکی
با توجه به اینکه آگروباکتریوم فقط سلولهای دو لپه‌ای را آلوده می‌کند، در سلولهایی مانند گندم ، برنج و ذرت از طریق شوک الکتریکی برای انتقال DNA به درون سلول استفاده می‌شود. برای استفاده از الکتروپوریشن به سلول گیاهی احتیاج به پروتوپلاست است، ولی تولید گیاه کامل از پروتوپلاست تک لپه‌ای مشکل است و در واقع اگر DNA مستقیما به سلول تزریق شود بهتر است، علاوه بر این از طریق تزریق DNA توسط تفنگ ذره‌ای می‌توان DNA را وارد سلولهای حاوی دیواره نمود.
کاربردهای انتقال ژن به گیاهان
از مهمترین اهداف انتقال ژن به گیاهان می‌توان موارد زیر را ذکر کرد:
ایجاد مقاومت در برابر حشرات
تولید بازدارنده پروتئینازها در برابر حشرات
تولید گونه‌های مقاوم به قارچها
مقابله با ویروسها
تولید گیاهان مقاوم به علف کشها
تولید گیاهان مقاوم به استرس
چشم انداز
تاکنون آزمایشات متعددی برای ایجاد گیاهان ترانس ژنتیک از طریق پلاسمید Ti باکتری آگروباکتریوم و یا از طریق تفنگ ذره‌ای بکار برده‌اند و دانشمندان در فکر تولید انترفرون در گیاهان و در کشت سلول گیاهی هستند و از طرف دیگر تولید گیاهان برتر و با محصولات بیشتر یکی دیگر از اهداف مهندسی ژنتیک گیاهی می‌باشد.