ملخص كتاب التصميم الجينومي لمحاصيل البذور الزيتية المقاومة للإجهاد الحيوي( الجزء الأول)

مصر:إيهاب محمد زايد
نظرة عامة
يتأثر إنتاج المحاصيل بشكل كبير بسبب الضغوط الخارجية أو البيئية. تسبب الضغوط الحيوية خسائر كبيرة في المحصول في حدود 31-42٪ مع خسارة 6-20٪ خلال مرحلة ما بعد الحصاد. كما تؤدي الضغوط اللاأحيائية إلى تفاقم الوضع مع تلف المحاصيل في حدود 6-20٪. فهم آليات تفاعل النباتات مع الضغوط الحيوية التي تسببها الحشرات والبكتيريا ،تعتبر الفطريات ، والفيروسات ، والفطريات عموما ، وما إلى ذلك ، والضغوط اللاأحيائية بسبب الحرارة ، والبرودة ، والجفاف ، والفيضانات ، والغمر ، والملوحة ، والحموضة ، وما إلى ذلك ، أمرًا بالغ الأهمية لتطوير أصناف المحاصيل. يتسبب الاحترار العالمي وتغير المناخ أيضًا في ظهور أمراض وحشرات جديدة جنبًا إلى جنب مع الأنماط الحيوية الجديدة والأجناس الفسيولوجية للعوامل المسببة من ناحية وتفاقم مشاكل الإجهاد اللاأحيائي مع التطرف الإضافي وعدم القدرة على التنبؤ. من المهم للغاية تطوير أنواع المحاصيل المقاومة و / أو التكيف مع هذه الضغوط. لذلك ، يجب أن تركز المهمة المستقبلية لتحسين المحاصيل على تطوير أنواع المحاصيل ذات اللدونة المثلى للجينوم من خلال امتلاك مقاومة أو تحمل ضغوط متعددة الأحيائية وغير الحيوية في وقت واحد. تقدير معتدل لسكان العالم بحلول عام 2050 هو حوالي 9.3 مليار نسمة ، مما يستلزم زيادة إنتاج المحاصيل بنحو 70٪. من ناحية أخرى ، فإن الخسائر الإضافية بسبب المناخ و التغيير والاحتباس الحراري في مكان ما في حدود 10-15٪ يجب تصغيره. لذلك يتم زيادة إنتاج المحصول وتقليل خسارته يجب أن تمارس في نفس الوقت مع التركيز على كل من “التكيف” و “التخفيف”. ساهمت التربية التقليدية للنباتات التي مورست في القرن الماضي كثيرًا في علم التحسين الوراثي للمحاصيل. طرق تربية النباتات الكلاسيكية بما في ذلك الانتقاء والتهجين وتعدد الصبغيات والطفرات تلبي بشكل فعال الاحتياجات الأساسية من – الغذاء والأعلاف والوقود والأثاث. كان ظهور التربية الجزيئية والهندسة الوراثية في الجزء الأخير من القرن العشرين مكملًا للتربية الكلاسيكية التي عالجت الاحتياجات المتزايدة للعالم. أتى القرن الحادي والعشرون بهدية لعلماء الوراثة ومربي النباتات باستراتيجية تسلسل الجينوم في نبات الأرابيدوبسيس والأرز التي تتبعها أدوات التربية بمساعدة علم الجينوم. في الآونة الأخيرة ، أصبحت هناك تقنية ثورية أخرى ، وهي تصويب الجينوم أو الجينات ، متاحة للتصحيح الجيني لجينومات المحاصيل! ساعد الانتقال من “تربية النباتات” على أساس الإنتخاب المرئي أو المحسوس إلى “التربية الجزيئية”
المقدمة
من خلال العلامات المرتبطة بـ “التربية المعدلة وراثيًا” باستخدام التحول الجيني مع الجينات الغريبة إلى “التكاثر بمساعدة الجينوميات” الذي يسهله تسلسل الجينات المعروفة ، وصل الآن إلى عصر “التصحيح الجيني” الذي يستخدم تصويب الجينوم أو الجينات.المعرفة حول استراتيجيات تحسين المحاصيل الجينية والجينومية المتقدمة بما في ذلك التربية الجزيئية ، وعلم الجينات المحورة ، والتربية بمساعدة الجينوم ، وتصويب الجينوم الذي ظهر مؤخرًا لتطوير أصناف محاصيل مقاومة و / أو متحملة و / أو قابلة للتكيف مفيدة للطلاب والكليات والعلماء في القطاعين العام والخاص الجامعات والمنظمات. سهّل تسلسل الجينوم الكامل لمعظم نباتات المحاصيل الرئيسية متبوعًا بالتنميط الجيني بالتسلسل تحديد الجينات بالضبط التي تمنح المقاومة أو التحمل أو القدرة على التكيف مما يؤدي إلى اكتشاف الجينات وتعين الأليل وتكاثر العام الذي بدوره فتح المجال لـ ‘ تصميم جينومات المحاصيل “أو” تفصيلها “بمقاومة / تحمل الضغوط الحيوية وغير الحيوية.، تتمثل مهمة الزراعة في هذا القرن في أمن FHNEE ، أي الغذاء والصحة والتغذية والطاقة والأمن البيئي. ومن ثم ، ينبغي أن يركز تصميم الجينوم للمحاصيل على تربية الأصناف ذات الانتاجيات الأعلى والصفات المحسنة للمجالات الخمسة الأساسية F5 ؛ مركبات غذائية ومركبات نيوتريسيوتيكال ؛ وغيرها من المنتجات المهمة صناعياً وجمالياً وإمكانية وجود مجالات متعددة. لهذا الغرض من التربية “الدقيقة” ، فإن توظيف التقنيات الجينية والجينومية بشكل فردي أو مجتمعة عند الاقتضاء سيلعب دورًا حاسمًا. ستناقش فصول 12 مجلدًا من سلسلة الكتب المزدوجة هذه بعنوان التصميم الجينومي للمحاصيل المقاومة للإجهاد الحيوي والتصميم الجيني للمحاصيل اللاأحيائية المقاومة للإجهاد ، أنواعًا مختلفة من الضغوط الحيوية واللاأحيائية وتأثيراتها على نباتات المحاصيل والتفاعل معها ؛ سيعد التنوع الجيني المتاح فيما يتعلق بمقاومة الإجهاد الحيوي أو اللاأحيائي بين الأصناف ؛ سوف يسلط الضوء على مجمعات الجينات المحتملة للاستخدام في نقل الجينات بين الأنواع ؛ سوف يطلع على الجينات الكلاسيكية لمقاومة الإجهاد والتكاثر التقليدي لنقلها إلى نظرائهم المزروعة ؛ سيناقش رسم الخرائط الجزيئية للجينات و QTLs الكامنة وراء مقاومة الإجهاد وإدخالها بمساعدة الواسمات في أصناف المحاصيل النخبة ؛ سوف تنطق مختلف التقنيات الناشئة بمساعدة الجينوميات ، بما في ذلك الانتقاء الجيني ، وتعدين الأليل ، واكتشاف الجينات ، والتسلسل الجيني لتطوير أصناف محاصيل ذكية ذات إمكانات وراثية لإنتاج F5بكمية وجودة أعلى ؛ كما سيتم إعداد دراسات الحالة حول تصويب الجينوم مع التركيز على جينات معينة. ستناقش معظم هذه الفصول قصص نجاح الهندسة الوراثية في المحاصيل ذات الصلة على وجه التحديد لتوليد المحاصيل ذات المقاومة و / أو القدرة على التكيف مع الأمراض والحشرات والضغوط اللاأحيائية. من الواضح أن هناك عددًا من المراجعات والكتب حول الجوانب الفردية للتربية الجزيئية للنباتات والهندسة الوراثية والتربية بمساعدة الجينوم على المحاصيل أو عن السمات الاقتصادية الزراعية التي تضم أكثر من 100 كتاب تم تصويبها بواسطتي. ومع ذلك ، لا توجد مراجعات شاملة أو كتب متاحة تغطي مجموعات سلع المحاصيل بما في ذلك الحبوب والدخن والبذور الزيتية والبقول والفواكه والمكسرات والخضروات والمحاصيل التقنية أو الصناعية ، والاستراتيجيات الحديثة مع التركيز الدقيق على الضغوط الحيوية واللاأحيائية. ستعمل المجلدات الحالية على سد هذه الفجوة من خلال المداولات حول حوالي 120 محصولًا مهمًا أو مجموعاتهم. يتضمن هذا المجلد حول “التصميم الجينومي لمحاصيل البذور الزيتية المقاومة للإجهاد الحيوي” ثمانية فصول تركز على فول الصويا وبذور اللفت ودوار الشمسوالفول السوداني واالراب أو اللفت والخردل والسمسم ونبات الخروع والكتان بمساهمة 67 عالمًا من 7 دول بما في ذلك أستراليا وكندا والصين ، الهند ومالي وصربيا والولايات المتحدة الأمريكية. ما زلت إمام- شاكرين للغاية لمساهماتهم المفيدة للغاية.
الفصل الأول
التصميم الجيني للضغوط الحيوية في فول الصويا
فول الصويا هو محصول زراعي اقتصادي رائد في العالم. فول الصويا غني ببروتين البذور (حوالي 40٪) والزيت (حوالي 20٪) ويثري التربة عن طريق تثبيت النيتروجين من خلال التعايش مع البكتيريا. يستخدم على نطاق واسع كغذاء وعلف ولأغراض صناعية. في فول الصويا ، ظهرت الضغوط الحيوية مثل الآفات الحشرية والأمراض باعتبارها التحدي الرئيسي لزيادة الإنتاج. حققت التربية من أجل التحمل مع الضغوط الحيوية تقدمًا ممتازًا ولكن تطبيق مناهج جديدة مثل التقنيات الجينية أمر ضروري لمواجهة التحديات. لقد أتاح تصميم المحاصيل الجينومية وأساليبها التحسين السريع لفول الصويا مقارنة بالنُهج التقليدية. يتغلب تصميم الجينوم على قيود طرق التربية التقليدية ويسرع من تطوير محاصيل فول الصويا الذكية مناخيًا. تم استخدام التربية بمساعدة الجينوم ، وإنتخاب الجينوم ، وتسلسل الجينوم ، والإنتخاب بمساعدة الواسمات ، ونهج الهندسة الوراثية ، وأدوات علم الجينوم لتحسين تحمل الضغوط الحيوية ، وخصائص المحصول وتكوين البذور. أصبح تطوير أصناف فول الصويا الحيوية المقاومة للإجهاد مناسبًا مع توافر تسلسل الجينوم لفول الصويا ودراسات الجينوم الوظيفي. يناقش هذا الفصل المعالم الرئيسية في علم وراثة فول الصويا ، ورسم خرائط الجينوم والتطورات الأخيرة في الجينوميات المقارنة والوظيفية المتعلقة بالضغوط الحيوية.
آفاق وحدود التصميم الجينومي لفول الصويا
لقد ساعد توافر الموارد الجينومية عالية الجودة واستخدام تقنيات التربية التقليدية والجزيئية بشكل كبير في تصميم محصول فول الصويا. كون فول الصويا محصولًا تجاريًا ذا أهمية فقد استخدم بشكل مكثف المنصات مثل علم الجينوم والتقنيات الأخرى مثل التعديل الوراثي لإدماج الصفات المظهرية ذات الأهمية التجارية. ومن المتوقع أيضًا أن تساعد الأدوات الحديثة مثل تصويب الجينوم مرة أخرى في تطوير محاصيل فول الصويا المصممة. مع ظهور تقنيات أوميكس ، اكتسب تطبيق مناهج علم الجينوم زخمًا في تحديد وتوصيف الأليلات النادرة. على الرغم من التقدم الكبير الذي تم إحرازه في تطبيق التقنيات الجديدة لتطوير فول الصويا المقاوم للضغوط الحيوية ، إلا أنه لا يزال أقل فهمًا في مجال التفاعلات الجزيئية لمسببات فول الصويا ، وفول الصويا والآفات الجزيئية ، وفي الجمع بين المقاومة المتعددة أو المزدوجة التي تمنح الجينات في نوع وراثي واحد. هناك حاجة إلى مجموعة من مناهج أوميكس المتعددة التي تشتمل على البروتينات ، والنسخة ، والأيضية ، والأيونية جنبًا إلى جنب مع علم الجينوم للكشف الشامل عن تفاعلات فول الصويا ومسببات الأمراض (الآفات). كما يتطلب دور التنظيم التنظيمي للجينات إعادة النظر في سياسة شاملة في تبني تقنيات مثل تصويب الجينوم أو المواد الوسيطة في سياق استخدام فول الصويا على نطاق واسع في الغذاء والزيوت.
الفصل الثاني
التصميم الجيني لمقاومة الإجهاد الحيوي في بذور اللفت
براسيكا نابوس ، بذور اللفت أو بذور اللفت الزيتية ، هي المحصول الرئيسي للبراسيكا الذي نشأ من أحداث تهجين متعددة بين براسيكا رابا وبراسيكا أوليراسيا. ومع ذلك ، فقد انخفض إنتاجه بشكل كبير بسبب العوامل الحيوية المختلفة. تؤثر هذه الضغوط الحيوية على نمو وتطور النباتات مما يؤدي إلى انخفاض كبير في إنتاج البذور الزيتية على المستوى العالمي. علاوة على ذلك ، فإن تدابير المكافحة أوسع بكثير في حالة الأمراض منها في الآفات الحشرية ، مما يؤدي إلى المزيد من المواجهة من الأخيرة. إن تطوير أصناف مقاومة يمكنها البقاء تحت ظروف الإجهاد أمر في غاية الأهمية. أدوات الإدارة المختلفة مثل تناوب المحاصيل واستخدام الأصناف المقاومة وما إلى ذلك غير ناجحة في معظم الحالات ، حيث تعتمد تدابير مكافحة الحشرات في الغالب على استخدام المواد الكيميائية / المبيدات الحشرية. المعلومات المتعلقة بالآليات الجزيئية والخلوية المختلفة ضرورية لفهم تحمل الإجهاد الحيوي في بذور اللفت. وبالتالي ، فإن استخدام المعلومات الجينية أو الجينومية وأدوات المصفوفة الدقيقة أمر حيوي لتسريع القدرة الإنتاجية في برامج التحسين الوراثي. يوفر التقدم في التقنيات الجينية بالإضافة إلى توافر تسلسل الجينوم فرصًا لإنتاج نمط وراثي نباتي جديد لأي شخصية معينة. لقد فتح تحديد الجينات و / أو المؤثرات المختلفة ضد الأمراض / الآفات المختلفة في بذور اللفت من خلال تقنية أوميكس الطريق لمزيد من الدراسات لتصوير تفاعلات المضيف والممرض وتوصيف وظيفة الجين والتعبير. في هذا السياق ، يقدم هذا الفصل معلومات محدثة عن الضغوط الحيوية المختلفة التي يواجهها المحصول في جميع أنحاء العالم ، والتقدم المحرز من خلال تقنيات تربية النباتات التقليدية ، وعلم الجينوم ، والصيغ الحيوية ، وعلم الجينات المعدلة وراثيًا وأساليب تصويب الجينوم مع التركيز بشكل خاص على رسم خرائط السمات ونهج التربية بمساعدة الواسمات الجزيئية. يقدم الفصل أيضًا نظرة عامة على أحدث الاكتشافات والأدوات الجينومية ، مثل أوميكس التي تم استخدامها على نطاق واسع لكشف التعقيدات الجينومية والجزيئية ضد الضغوط الحيوية المختلفة وتطبيقاتها المحتملة لمزيد من تحسين بذور اللفت. لذلك ، فإن الجمع بين علم الوراثة الكلاسيكي وتصويب الجينوم و أوميكس المتكاملة يمكن أن يسرع إنتاج بذور اللفت على مستوى العالم.
الآفاق المستقبلية
تلعب الضغوط الحيوية دورًا مهمًا في تقليل إنتاجية بذور اللفت لتلبية الطلب المتزايد على النفط ، حيث تؤثر الأمراض والآفات الحشرية على إنتاج البذور الزيتية على مستوى العالم. هناك شرط أساسي للغاية لتقليل الآثار غير المواتية لهذه الضغوط. وقد ساعدت مبيدات الفطريات والحشرات في السيطرة على مثل هذه الضغوط إلى حد ما ، على الرغم من أن استخدامها ضار. لذلك ، فإن آليات الدفاع الخاصة بالنباتات للتحكم في الإجهاد الحيوي ضرورية لتعزيز الإنتاجية. لم تعط التقنيات التقليدية لتربية النبات دفاعًا كاملاً من هذه العوامل الحيوية. لذلك ، من أجل تطوير أصناف مقاومة عالية الإنتاج ، فإن الدراسة الأساسية حول القدرة الكامنة للأمراض ومقاومة الآفات الحشرية والمعرفة حول التفاعلات بين المضيف والممرض ذات أهمية قصوى. وبالمثل ، فإن التعرف على آليات المقاومة غير المحددة سابقًا ممكن من خلال رسم الخرائط الجينية لطفرات النبات. تعمل الواسمات الجزيئية على تسريع عملية الإنتخاب من خلال تقليل الأساليب التي تستغرق وقتًا طويلاً. بالإضافة إلى ذلك ، يتم استخدام أدوات تحليل تسلسل الحمض النووي عالية الإنتاجية وتحليل المصفوفة الدقيقة لرسم خرائط واستنساخ الجين المقاوم ضد الضغوط الحيوية المختلفة. المعلومات الوراثية المتعلقة بالنبات المضيف وكذلك العوامل الممرضة / الآفات الحشرية تسرع من عملية التحقيق في هذه الضغوط. وبالتالي ، فإن الأدوات الجينومية مطلوبة للتعرف على مناطق الحمض النووي المرتبطة ارتباطًا وثيقًا بسمة معينة ذات أهمية في بذور اللفت لأنها توفر سهولة في التحلل الوظيفي للجينات المرتبطة بتفاعل المقاومة والقابلية للتأثر. في بذور اللفت ، تم تطوير العديد من الجينات المعدلة وراثيا من خلال دمج الجينات المختلفة من الأنواع الأخرى. تم استخدام تقنية CRISPR أو CRISPR / Cas لتحليل التقييم الوظيفي بالإضافة إلى دمج تعديل الجينوم المستهدف في تحسين بذور اللفت.
الفصل الثالث
تصميم دوار الشمس لمرونة الإجهاد الحيوي: التحدي الأبدي
دوار الشمس، وهو محصول ذو صلة بإنتاج الزيت في مناطق درجات الحرارة ، يتعرض لضغوط حيوية مختلفة. يتم تحديد أهمية عامل إجهاد معين ، مكانياً وزمانياً ، من خلال القيود البيئية وتنوع أعداد الآفات. يقدم هذا الفصل استعراضًا لأهم أمراض وآفات دوار الشمس، مع التركيز على توزيعها ووصف الأضرار التي قد تسببها. إلى جانب ذلك ، نناقش الاستراتيجيات المختلفة المستخدمة في تربية دوار الشمسلمقاومة الإجهاد الحيوي ، وهي استراتيجية موثوقة ودائمة وفعالة من حيث التكلفة وذات تأثير سلبي منخفض على البيئة ، لمكافحة الآفات والأمراض. خلال تاريخ طويل من زراعة دوار الشمس، تم إحراز العديد من الاختراقات الرئيسية في التربية من أجل مقاومة الأمراض والآفات. يفتح الاختراق الأخير في علم جينوم دوار الشمسوتوافر بيانات الجينوم لكل من دوار الشمسومسببات الأمراض الخاصة به إمكانيات جديدة لإدخال مقاومة الإجهاد الحيوي في دوار الشمس المزروع. في ضوء التغييرات التي تم إجراؤها عبر التاريخ والنتائج الأخيرة ، نناقش الأدوات الجديدة المتاحة لتصميم محصول دوار الشمس مرونة للضغوط الحيوية.
الآفاق المستقبلية: نحو مرونة دائمة
يعتبر تكاثر دوار الشمسمن من أجل مقاومة الإجهاد الحيوي تحديًا دائمًا ، نظرًا للتغيرات في ضراوة وعدوانية الآفات ومسببات الأمراض الشائعة ، ولكن أيضًا ظهور ضغوط حيوية جديدة بسبب تغير المناخ وانتشار منطقة زراعة عباد الشمس. نظرًا لأنه ينتمي إلى جنس شديد التنوع يضم عددًا من الأنواع التي تمتلك جينات مختلفة لمقاومة الإجهاد الحيوي ، فإن توصيف ونقل الجينات القيمة من الأقارب البرية إلى دوار الشمس المزروع يمكن أن يكون أداة قيمة لإنشاء أنماط وراثية مقاومة للآفات والأمراض . مهد إدخال الأدوات الجزيئية في عملية التكاثر وتطوير علامات الأمراض أحادية الجين ، مثل العفن الفطري الناعم والصدأ ، الطريق لإدخال MAS المساعد الانتخابي في تربية عباد الشمس. وقد مكن هذا المربين من التغلب على أوجه القصور في إنتخاب النمط الظاهري ، مع الإدخال المستهدف لصفات المقاومة وانخفاض سحب الارتباط. سهلت MAS أيضًا تنظيم هرم الجينات وإدخال أكثر كفاءة للمقاومة المتنحية.
إن العام الذي أحدث تغييرًا كبيرًا في الأبحاث الجزيئية العامة لدوار الشمس كان عام 2017 ، عندما نُشر أول تجميع لجينوم دوار الشمس، تبعه نشر تسلسل جينوم عباد الشمس. قد يساعد هذا في تسريع فحص جينوم دوار الشمس والأقارب البرية للتعدين بحثًا عن جينات المقاومة ، باستخدام أيضًا معلومات من الأنواع النموذجية التي يتوفر عنها قدر أكبر من المعلومات الجينية. بالاقتران مع الدراسات الجينية الكلاسيكية ، أتاحت تقنيات تسلسل الجينوم والتسلسل المتوفرة حديثًا دراسة الظواهر اللاجينية في دوار الشمسوتطبيق التنميط اللابيجينوم ( تنميط بيئي جيني)والهندسة الوراثية لإنشاء الأنماط الجينية مع مقاومة الإجهاد الحيوي الدائم. يمكن أن يكون هذا هو الحال بشكل خاص بالنسبة للمقاومة التي يتم التحكم فيها كميًا ، حيث يمكن أن يؤدي الجمع بين الأدوات والأساليب الجزيئية المختلفة إلى تعزيز تحمل محصول دوار الشمس لمجموعة من الأمراض المهمة اقتصاديًا ، ولكن أيضًا حشرات الآفات المختلفة التي تم إحراز تقدم ضئيل أو معدوم في توضيحها. آليات المقاومة.

تنبيه هام، المنشور يعبر عن رأي الكاتب ويتحمل مسؤوليته، دون ادنى مسؤولية علي الجريدة

تنبيه

احصل على تحديثات في الوقت الفعلي مباشرة على جهازك ، اشترك الآن.

معلومة تهمك

اترك رد

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني.

%d مدونون معجبون بهذه: