التطورات الحالية في الإنتاجية والجودة وتحمل الإجهاد في ظل السيناريوهات المناخية المتغيرة
التطورات الحالية في الإنتاجية والجودة وتحمل الإجهاد في ظل السيناريوهات المناخية المتغيرة
عرض كتاب تحسين الذرة
التطورات الحالية في الإنتاجية والجودة وتحمل الإجهاد في ظل السيناريوهات المناخية المتغيرة
مصر:إيهاب محمد زايد
معلومة تهمك
المقدمة
تطورت العلوم مثل علم الوراثة ، وعلم النطاقات ، والتكنولوجيا الحيوية ، والتربية كأربعة مجالات مترابطة ومتوافقة لإجراء تحقيق شامل ودقيق لأنواع المحاصيل وتنميتها الدقيقة والفعالة. على الرغم من أن العوامل الوراثية وتربية النباتات قد قدمت مساهمات هائلة في العديد من الأساليب والتقنيات الجديدة لفهم تسلسل الجينات النباتية والنهوض بمجموعة كبيرة من أصناف المحاصيل ذات الخصائص المرغوبة ، فقد يكون علم الجينوم قد أظهر الطبيعة الكيميائية للأنماط الجينية ، وجه النسخ – الخواص ، وتسلسل الجينوم ، كما قدمت موارد لتربية النباتات. ستوضح كرونولوجيا تحليل جينوم المحاصيل بالفعل فك تشفير مثل هذه الجينومات الكاملة لنموذج الحياة الأولي لشكل Arabidopsis thaliana في عام 2000. وقد أدى ذلك إلى إنشاء حقبة جديدة مثيرة في دراسة جينومات النبات ، تليها فك الشفرات من جينوم الأرز الزراعي والمحاصيل المرجعية في عام 2002. منذ ذلك الوقت ، زادت نسبة جينومات الأنواع النباتية التي تم تسلسلها بشكل كبير بسبب تطوير استراتيجيات الجينوم التي أصبحت أكثر تكلفة وأكثر موثوقية بالإضافة إلى معظم والأهم من ذلك ، النهوض بالمنصة ، والتي تشمل المبادرات المحلية والعالمية التي تشمل المنتسبين من الوكالات والمنظمات. تم العثور مؤخرًا على البصمات الجينومية لمئات الأنواع النباتية المختلفة بسبب التقدم في الاختراقات الاستراتيجية في البيولوجيا الجزيئية. بحلول نهاية عام 2020 ، سيتم تسلسل ما مجموعه 1031 جينومًا يمثل 788 نوعًا فريدًا من النباتات والكشف عنها ، ومن المتوقع أن يستمر هذا العدد في الزيادة بمعدل أسي .
هناك مجموعة متنوعة من الواسمات الإضافية التي تعتمد على التهجين ، والعلامات التي تعتمد على تفاعل البوليميراز المتسلسل (PCR) ، وتستند إلى المصادر المساعدة لرسم خرائط الارتباط الجيني وتوطين الجينات المرغوبة التي تتحكم في الخصائص المظهرية وحتى المجموعات الجينومية (QTL (موضع السمات الكمية) -to-to-QTN (تحديد نيوكليوتيدات السمة الكمية) ، بما في ذلك السمات متعددة الجينات في عدد كبير من المحاصيل التجريبية والحقلية . خلال هذه الفترة ، تم نشر العديد من مجموعات رسم الخرائط الجديدة خارج F2 ، وتم تطوير العديد من برامج الكمبيوتر لإنشاء الخرائط ، وعلم الجينوم الوظيفي ، والمجموعات متعددة الجينات أو QTLs . تستخدم الدراسات حول العلاقات التطورية والتطور بالإضافة إلى الأبحاث حول التنوع الجيني وبصمات الأصابع الواسمات الجزيئية. كان الاستنساخ المستند إلى الخرائط تطبيقًا آخر للواسمات الجزيئية المتاحة. تم استخدام العلامات المرتبطة ارتباطًا وثيقًا بالجينومات في عملية تطوير المحاصيل باستخدام تقنية تُعرف باسم الانتقاء بمساعدة الواسمات. طوال العقد والنصف الماضيين من القرن العشرين ، كانت مناهج رسم الخرائط الجينية الجزيئية والتربية الجزيئية مسؤولة عن تأثير كبير تم الشعور به في جميع أنحاء العالم. ومع ذلك ، احتفظت الطرق بالطرق “الضمنية” لتفسير واستخدام التسلسلات الجينومية نظرًا لأن معظم الكروموسومات ظلت غير مكتشفة ، ولم يتم الكشف عن الوصف الكيميائي الحيوي بأكمله. أتاح تسلسل الجينوم نهج رسم الخرائط الكامل لنباتات المحاصيل وأقاربها البرية. وبالتالي ، فإن فهمنا للنطاق الكامل للتسلسلات الجينية واتساع نطاق تغطيتها يتوسع باستمرار في العصر الحديث. ومع ذلك ، يتم نشر المواد عبر الدراسات المنشورة ومراجعات الأدبيات في المجلات ومجالات مواقع الويب الخاصة بالاتحاد والمستودعات. حدثت متغيرات الذرة الزراعية منذ آلاف السنين. لقد مر ما يقرب من 30 عامًا منذ أن تم وصف خرائط QTLs للمتغيرات الزراعية ، بما في ذلك الإنتاجية ، لأول مرة في الذرة من خلال التقنيات المتكاملة بما في ذلك النهج omic والأدوات الحسابية التي تتراوح من الاستنساخ التقليدي إلى الاستنساخ الجزيئي ، وبشكل أساسي الاستنساخ الموضعي وعلامات النقل. منذ هذه الدراسة الرائدة والثورية ، كانت وتيرة النمو في جينومات الذرة واستخداماتها في التربية مذهلة. يمكن تطوير التطورات الحديثة في التوصيف العالمي لتنوع ، وبنية ، وتطور ، ووظائف جينوم الذرة لزيادة كفاية اختيار الآباء المناسبين لبرامج التهجين المختلفة لإنتاج الدمج الذي ينتج عنه سلالات نخبوية وجين / استنساخ QTL والبحث. يجب وضع المنهجيات والمجمعات الجينية والأدوات المناسبة من أجل تحقيق مستوى من الدقة في الخصائص الكمية المرغوبة. يمكن استخدام كل من علم الوراثة الأمامي والخلفي للعثور على الطفرات في النباتات والاتصال بها والتسبب فيها. يوفر علم جينوم الذرة لمربي المحاصيل مجموعة أدوات قوية لتخصيص السلالات الداخلية وتعد الأصناف عالية الغلة أفضل استعدادًا لمواجهة الصعوبات التي تثيرها كارثة المناخ والاحتباس الحراري مع ضمان الاستغلال الاقتصادي المستدام بيئيًا لأحد المحاصيل الأكثر حيوية. الذرة هي الآن واحدة من المحاصيل الأكثر قيمة في العالم ، حيث تساهم بمليارات الدولارات سنويًا في الإنتاج الزراعي. أدت القدرة الرائعة على التكيف والإنتاج من الذرة كحبوب وعلف ومحصول مرعي إلى إنتاجها المكثف على حساب المحاصيل الأخرى. في الزراعة الأمريكية ، أصبحت الذرة موردًا رائدًا للأغذية والوقود ، مما زاد من تطبيقاتها غير الغذائية. كانت الذرة في طليعة النقاش حول التحول الجيني ، كونها من بين المحاصيل الأولى ذات الأشكال المعدلة وراثيًا المتاحة تجاريًا. بالإضافة إلى إنجازاته الكبيرة في الزراعة والاقتصاد ، تعتبر الذرة المحصول النموذجي الأول الذي تم إنشاء خريطة الجينوم من أجله في عام 1935. تم الكشف لأول مرة عن المنظمين ، والتيلوميرات ، والتعديلات اللاجينية ، والتحكم في الجينات اللاجينية ، والصلات الفيزيائية للجينات. تم الكشف عن هذه السمات الجينية الأساسية لتكون سمات لكل جينوم حقيقي النواة. نظرًا لراحة تقييمه ، وتحديداً سهولة التهجين واللدونة المظهرية ، فإنه يستخدم على نطاق واسع. لا تزال هذه الجهود الجينية المهمة جارية ، مما يقود الطريق في وصف جينومات كاسيات البذور ، والتي هي بطبيعتها غير مستقرة وتتغير بمرور الوقت. إن إطلاق مسودة التسلسل للجينوم المرجعي للذرة B73 الفطري باستخدام طريقة BAC-by-BAC Sanger في عام 2009 هو جينوم كبير غني بالترانسبوزون من عشرة كروموسومات بحجم 2.3 جيجا بايت مثل الجينوم البشري. لقد كشفت عن التنظيم والمحتوى الجيني للجينوم الأول (32000 جين) لمحصول متوسط الحجم وهو أكثر الجينوم تعقيدًا حتى الآن. بشكل دوري ، تمت إعادة تنظيمه ، ومسودة الجينوم المرجعي الحالي هو الإصدار 3 مع تفاصيل كاملة لتجميع الجينوم ، والتعبير الجيني ، والمواضع المتجاورة ، والعلاقة مع الأنواع النموذجية الأخرى (http: //www.ncbi.nlm. nih.gov/genome/؟term=maize؛ http://www.maizegdb.org) ، تم إصدار أربع مجموعات جينية أخرى في السنوات القليلة الماضية. حدث أحدث حدث ازدواج الجينوم الكامل في الذرة بين 5 و 12 مليون سنة ، بعد الانقسام بين الذرة والذرة الرفيعة. وجدت دراسة حديثة أن ما يقرب من 60 ٪ من إجمالي جينات ترميز البروتين في جينوم B73v4 لديها تقويم تركيبي في جينوم الذرة الرفيعة.
الفصل الأول
تنوع الجينوم في الذرة
يعد الانتقاء الجينومي حاليًا امتدادًا لطرق الاختيار التقليدية. في طرق الانتقاء التقليدية ، يتم تقييم العديد من الأنماط الجينية أولاً على مستوى الحمض النووي ، ثم يتم تقييم الجزء المختار على المستوى الزراعي الأكثر تكلفة. تهدف هذه العملية إلى تحديد عدد محدود من المرشحين المتنوعين التجريبيين المتفوقين في النهاية. من المتوقع أن تتطور مناهج أكثر استهدافًا بسبب الفهم الأكثر شمولاً للجينات وتراكيب الأليل ذات الصلة التي ستؤدي إلى النمط الجيني المثالي لبيئة معينة. هذا الفهم سيمكن من بناء مثل هذه الاستراتيجيات. يمكن نظريًا استخدام تقنية إعادة الارتباط التقليدية (التي تتضمن تهجين الأنماط الجينية المؤسس المختارة جيدًا) أو تحرير جينات متعددة لإنتاج هذه الأنماط الجينية المصممة. بدلاً من ذلك ، يمكن صنع هذه الأنماط الجينية المصممة من خلال التلاعب المباشر بالعديد من الجينات. ومع ذلك ، لا تزال هناك حاجة للتغلب على العقبات للحصول على فهم أكثر شمولية لتنوع السمات. تتضمن هذه العقبات الصعوبات التقليدية المرتبطة بالتأثيرات الجينية الطفيفة لـ QTL وصعوبة إجراء التنبؤات عند وجود تفاعلات G × G و G × E المعقدة. على الرغم من ذلك ، يتم استكمال صندوق أدوات المربي تدريجياً بمزيد من التقنيات المعاصرة. لم يعد الأمر يتعلق بما إذا كانت هناك أداة أو استراتيجية متاحة ؛ وبدلاً من ذلك ، فإن السؤال هو أي من الاحتمالات المتزايدة يجب اختيارها ، بالنظر إلى الموارد المالية المحدودة ، لتحقيق أقصى قدر من المكاسب الجينية والعائد الاقتصادي. سيؤثر الإطار التنظيمي المحيط بتحرير الجينوم بشكل كبير على مدى إتاحته لمربي النباتات كأداة فعالة. على الرغم من أن القيود التي تحكم استخدامه متساهلة في بعض الدول ، إلا أنها قد تكون أكثر صرامة في دول أخرى ، مما يحد من تطبيقها. لقد عدل PacBio مؤخرًا أساليبه لضمان تسلسل قراءة طويل عالي الدقة (HiFi) ، باستخدام طريقة التسلسل الإجماعي الدائري (CCS). تحتوي هذه الطريقة على دقة مستوى أساسية أعلى من 99٪ وتم تطويرها لحل مشكلة التسلسل المعرض للخطأ. يمكن استخدام هذه الطريقة للبحث في علم جينوم الذرة. لقد تم توظيفها بشكل فعال لتسلسل العديد من أنواع النباتات وعرضت ميزات عالية ومتانة. قد يكون الدافع وراء الحاجة إلى استخدام مجموعة متنوعة من الموارد الجينية هو تغير المناخ. على المدى الطويل ، قد يساعد ذلك في تضييق الفجوة.
الفصل الثاني
التقدم في رسم خرائط QTL لتطوير المقاومة ضد حفار الذرة الأوروبي (ECB) في الذرة
يعتبر سباق التسلح التطوري بين الآفات الحشرية والنباتات عملية معقدة. بمرور الوقت ، طورت النباتات استراتيجيات دفاع متطورة ضد الحيوانات العاشبة. ومع ذلك ، فقد تآكل التنوع الجيني في المحاصيل الرئيسية ، ولوحظ التعرض للآفات. وبالمثل ، غالبًا ما يؤدي التوحيد الجيني في عدد النباتات إلى قابلية التعرض في صفائف الضغوط الحيوية. في الذرة ، البنك المركزي الأوروبي هو قضية رئيسية لأنه يقلل من إنتاجية المحاصيل. على الرغم من أن الأساليب التقليدية مثل تطبيق مبيدات الآفات متاحة ، إلا أن التهديدات البيئية مثل الجريان السطحي للمخلفات تمثل مصدر قلق كبير. لمعالجة هذا الأمر ، تم إجراء العديد من الخطوات مثل التجارب المعدلة وراثيا. ومع ذلك ، فإن هذا النهج غير مقبول على نطاق واسع بسبب بعض المخاوف. أحد البدائل هو استخدام علامات الحمض النووي لتحديد المناطق الجينومية المرتبطة بمقاومة البنك المركزي الأوروبي. على مر السنين ، تم تحديد QTL المختلفة المرتبطة بمقاومة البنك المركزي الأوروبي. ومع ذلك ، أجريت دراسات محدودة لتقييم تأثيرها في برامج التربية واسعة النطاق. يجب توجيه الاتجاه المستقبلي في أبحاث البنك المركزي الأوروبي في التطبيق الفعلي لهذه QTL في الإعداد الميداني. بالإضافة إلى ذلك ، فإن تطوير موارد وراثية جديدة سيكون مفيدًا لزيادة تسريع تحسين مقاومة البنك المركزي الأوروبي في الذرة.
الفصل الثالث
تشريح QTLs لمقاومة الإجهاد الحيوي في الذرة
الأمراض والآفات هي الضغوط الهامة التي يواجهها محصول الذرة والتي غالبا ما تؤدي إلى خسارة كاملة في الغلة. تقترح الأدبيات المتاحة تقريرًا عن العديد من QTLs لمختلف الضغوط الحيوية. تم تحديد العديد منها بدقة ، وتم تحديد الجينات السببية المرشحة وتوصيفها. يعد النشر المنهجي لهذه الجينات و QTLs في السلالات الفطرية الحساسة أمرًا ضروريًا للغاية لتطوير هجائن الذرة الحيوية المقاومة للتوتر. بالنسبة للأمراض ، حظيت دراسات رسم الخرائط للآفات الحشرية باهتمام أقل ، على الرغم من أنها أكثر تدميراً من الأمراض. قد يكون عدم وجود بروتوكولات الفحص سهلة الاستخدام هو السبب في ذلك. ومع ذلك ، فإن البطانة الفضية هنا هي أن مقاومة الحشرات العاشبة يبدو أنه يتم التحكم فيها من خلال عدد قليل من النقاط الساخنة الجينومية ، مما يسهل مقاومة الحشرات المتعددة عن طريق نقل عدد قليل من QTLs. مع ظهور تقنيات التنميط الجيني عالية الإنتاجية ، يجب استغلال MAS إلى أقصى حد لتتبع تطور أصناف الذرة الأحيائية التي تتحمل الإجهاد.
الفصل الرابع
دراسات الارتباط على مستوى الجينوم (GWAS) للصفات الزراعية في الذرة
يركز تربية النبات على اختيار ذرية أفضل وتطوير أصناف جديدة ذات سمات نوعية وكمية محسنة. لإطعام العالم ، يجب تحسين الأداء الزراعي لمحصول الذرة. نظرًا لأن الأصول الوراثية للذرة مصدر غني للتغيرات الطبيعية ، يمكن افتراض أنه لا يوجد نقص في الصفات المرغوبة. يتمثل التحدي الرئيسي في فحص الأصول الوراثية الواسعة لتحديد الجينات و QTLs المرتبطة بالسمات الزراعية المعقدة. GWAS هو نهج للتشريح الجيني للصفات المظهرية متعددة الجينات. لقد قلل من الوقت والجهود المطلوبة في رسم الخرائط التقليدي للوالدين. GWAS هي أداة قوية ، ولكن يمكن تحسين دقتها باستخدام أساليب التنميط الجيني والتنميط الظاهري الأفضل والأكثر موثوقية. وقد تم توظيفه في دراسات الصفات المختلفة في محاصيل مختلفة. في السنوات الأخيرة ، يتزايد عدد دراسات GWA والمنشورات في الذرة كل عام ؛ لذلك ، يجب أن تركز الأبحاث المستقبلية على التحقق من صحة الجينات المرشحة المكتشفة من GWAS. بعد ذلك ، يجب دمج هذه في برامج تربية الذرة والدراسات المعدلة وراثيا
الفصل الخامس
اختيار الجينوم في تربية الذرة
يعد الانتقاء الجينومي أداة قوية تكتسب شعبية في برامج تربية الذرة للتنبؤ بقيم التكاثر للأفراد. يعد الانتقاء الجينومي أداة مثبتة عمليًا ويمكن أن تحقق نجاحًا ملحوظًا في تحسين الذرة إذا تم استخدامها بحكمة. مع انخفاض أسعار تسلسل الحمض النووي ، من المتوقع أن يكون هناك اتجاه تصاعدي في اعتماده كأداة تربية أساسية. ومع ذلك ، بالنسبة للبلدان النامية بشكل عام وبرامج التربية في القطاع العام على وجه الخصوص ، لا يزال تسلسل الحمض النووي للعديد من سلالات الذرة غير ممكن. ومن ثم ، فمن المستحسن استراتيجية مناسبة لاختيار المعلمات المختلفة ، مثل عدد العلامات وحجم السكان ، في سياق سمات محددة.
الفصل السادس
عامل النسخ: تبديل جزيئي لتكييف آليات الإجهاد اللاأحيائية في الذرة
من المتوقع أن يصل عدد سكان العالم بحلول عام 2050 إلى تسعة مليارات شخص. وقد أدت التغيرات البيئية التي نشهدها حاليًا إلى تسريع عملية تحسين المحاصيل الغذائية من أجل الحصول على غلات أفضل. يعتبر النظام دون الذري وصفات استجابة الإجهاد للتفاعلات اللاأحيائية للنباتات ذات أهمية. أدى التقدم التكنولوجي إلى نشر تطوير محاصيل مرنة قادرة على تحمل الظروف البيئية المعاكسة
الفصل السابع
الاستجابات الفسيولوجية والكيميائية الحيوية في الذرة تحت ضغط الجفاف
قللت قيود المياه من نمو النبات وتطوره وإنتاجيته. النباتات لاطئة. تتكيف من خلال التجنب أو تطوير المقاومة ضد ظروف الجفاف. تشتمل آلية مقاومة نباتات الذرة على تنظيف أنواع الأكسجين التفاعلية ، والجذور الحرة ، ومجموعة الهيدروكسيل ، و H2O2 ، وبالتالي تحافظ على التوازن الأيضي. على الرغم من أن التحضير له تأثير كبير على آلية تحمل الجفاف ، إلا أن العيب الرئيسي في هذه التقنية يرجع إلى أنواع مختلفة من العوامل الأولية التي لها خصائص وفعالية مختلفة. لذلك ، يجب تحسين كل نوع نباتي من أجل الحلول التمهيدية. وبالمثل ، فإن الفوائد المحتملة للعوامل الحيوية في تحمل الجفاف تقتصر على بعض المناطق المعرضة للجفاف والعقم في المناطق المدارية (أي أجزاء من إفريقيا وآسيا) حيث لا ينطوي إنتاج الذرة عادة على الري المكثف واستخدام الأسمدة. ولذلك ، فإن الاستراتيجيات طويلة الأجل تشمل تطوير أصناف المحاصيل التي تتحمل الجفاف. الذرة هي المحصول الغذائي الأساسي في معظم مناطق العالم ، منذ فترة طويلة تعمل CIMMYT على إنتاج الأصول الوراثية للذرة المقاومة للمناخ لزيادة تحمل السمات المرتبطة بتغير المناخ وتغيره ، إلى جانب إمكانات الغلة والسمات الدفاعية والمفضلة لدى المستهلك سمات. علاوة على ذلك ، لزيادة المكاسب الوراثية وتعزيز تقدم التكاثر لبيئة معرضة للإجهاد ، يلزم التكامل الفعال للأدوات والتقنيات الحديثة مثل الإنتاجية العالية والدقة ، والنمط الظاهري ، وتكنولوجيا DH ، والتربية بمساعدة الواسمات الجزيئية. طريقة أخرى لتطوير المحاصيل التي تتحمل الجفاف هي من خلال نهج التكنولوجيا الحيوية. في الآونة الأخيرة ، تم تحديد ووصف العديد من الجينات المرتبطة باستجابة النبات للضغوط اللاأحيائية المختلفة. لتطوير محصول يتحمل الجفاف من خلال الهندسة الوراثية ، يمكن استخدام التلاعب بجين واحد يؤثر على الهدف المحدد. يرتبط الإفراط في التعبير عن الجينات بتراكم الأسمولية والبروتينات والإنزيمات في نظام مضادات الأكسدة ؛ يمكن استخدام ناقلات الأيونات لتطوير النمط الجيني الجديد لمقاومة الجفاف. لذلك ، قد يكون اختيار الأصول الوراثية المقاومة للجفاف بناءً على الأساس الكيميائي الحيوي مفيدًا لتطوير أصناف تحمل الجفاف.
الفصل الثامن
مناهج التكنولوجيا الحيوية الحالية في تحسين الذرة
من المحتمل أن يكون للذرة دور رئيسي في التأثير على مستقبل إنتاج المحاصيل واستراتيجيات التحسين كمحصول متعدد الوظائف مهم في جميع مناطق إنتاج المحاصيل في العالم. سيكون للإنتاج والتربية والتقدم الجيني في الذرة تأثير كبير على سبل عيش نسبة كبيرة من سكان العالم. لا شك أن التكنولوجيا الحيوية ستحدث ثورة في مستقبل تربية الذرة. تقدم تقنيات العلامات جنبًا إلى جنب مع MAS طريقة جديدة لاختيار الأنماط الجينية المرغوبة. من خلال موازنة المعلوماتية والتكلفة ، يمكن للواسمات القائمة على تفاعل البوليميراز المتسلسل (PCR) تمكين تقنيات واسمات الحمض النووي بشكل أكثر فعالية وغير مكلفة. يمكن تعيين أي سمة تقريبًا ووضع علامات عليها باستخدام خرائط الربط المشبعة. لقد ساعدت واسمات الدنا في فهم الأساس الجيني للسمات المعقدة ، وكذلك في دراسة آلية عملها وكيف تنظمها البيئة. قد يستخدم المربون هذه المعلومات لجمع البلازما الجرثومية باستمرار وتوظيف أكثر الموارد فاعلية في مبادرات التهجين حيث يمكن لواسمات الحمض النووي أن توفر تقديرًا دقيقًا لارتباطات البالزما الجرثومية. سوف يتطور MAS تدريجياً إلى تقنيات تربية بمساعدة الجينوم أكثر شمولاً ، بسبب التقدم في مجالات omic المتعددة وتكامل مناهج التكاثر السريع والنمط الظاهري الرقمي لتقليل مقدار الوقت والجهد والموارد المطلوبة للاختيار و التحسين الوراثي لأصناف المحاصيل لتسريع إنتاج الأصناف عالية الأداء ذات الصفة محل الاهتمام.
نظرًا لأن الموارد الجينية للذرة هي من بين أغنى أنواع المحاصيل الرئيسية ، فقد يكون للبحوث الجينومية تأثير كبير على تحسين الذرة ، بما في ذلك اكتشاف التنوع الجيني الذي يقوم عليه تحسين الأداء وزيادة كفاءة التربية. قد يساعد تحليل الارتباط على مستوى الجينوم والجيل التالي من مجموعات رسم الخرائط الجينية الباحثين على فهم أفضل للقاعدة الجينية لتنوع السمات. قد يساعد ربط السمات بالجينات أو التوقيعات الجينية على تكاثر المحاصيل في إنتاج أنواع هجينة بالصفات المرغوبة في فترة قصيرة. من المرجح أن يكون لعلم النسخ تقدم كبير في المستقبل المنظور ، مع آثار متزايدة على البحوث الفسيولوجية للذرة. سيتم تسهيل تحديد مسارات النسخ في مختلف الأنماط الجينية من خلال دراسة التغييرات واسعة النطاق في ملفات تعريف النسخ. قد تتبع التنميط الجينومي للنسخة على نطاق واسع مسارات رسم خرائط الجينوم ، والتي تحتوي على ملف
تأثير كبير على السمات التي تنظمها QTL الرئيسية أو الجينات ولكن لا يزال هناك تحديات للتحكم في السمات المعقدة.
تمكّن أساليب الهندسة الوراثية مربي النباتات من إنتاج نباتات جديدة من خلال دمج المكونات الجينية من مصادر عديدة. يمكن استخدام تقنية CRISPR / Cas9 الناشئة لإنتاج طفرات وراثية ومستقرة دون تعديل الخصائص القيمة الحالية. يمكن أن يؤدي توصيف وتطوير بروتينات مستجيب CRISPR الجديدة إلى توسيع نطاق تطبيقات التكنولوجيا الحيوية من خلال تقنية CRISPR / Cas. تعتبر التطورات الحديثة في هندسة الأنسجة وكذلك التسليم المتحكم به القائم على المواد النانوية لـ CRISPR / Cas و sgRNA و mRNA للتلاعب الجيني للمحاصيل إنجازًا علميًا رائعًا. علاوة على ذلك ، من خلال تعزيز دقة وكفاءة أساليب CRISPR / Cas ، يمكن للمواد النانوية تقليل حدوث الطفرات خارج الهدف. على سبيل المثال ، في خطوط الخلايا المزروعة ، ArgNPs (جزيئات الذهب النانوية الموجبة للأرجينين) يتم تنظيم Cas9En (E-tag) -RNP (البروتينات النووية الريبية) من sgRNA الذي يوفر ما يقرب من 30 ٪ من فعالية تحرير الجينوم النووي / السيتوبلازمي الناجح ، مما سيساعد بشكل كبير في المستقبل بحوث تحسين الذرة. إن تطوير النباتات الإلكترونية عن طريق إدخال الجسيمات النانوية في البلاستيدات الخضراء والخلايا النباتية الحية لاستشعار العناصر في بيئاتها ، والتواصل مع بعضها البعض عبر مستشعرات الأشعة تحت الحمراء ، وحتى تزويد نفسها بالطاقة الذاتية باستخدام مصادر الضوء ، له آفاق هائلة في الزراعة الدقيقة. قد يمهد التقدم في طرق nanobionic لتحسين الذرة والمراقبة البيئية الطريق لأبحاث مستقبلية حول المواد النانوية الهجينة الوظيفية لنباتات الذرة. يمكن تسهيل تقدم تحويل الكتلة الحيوية إلى وقود بواسطة التكنولوجيا الحيوية النانوية. المواد النانوية تبشر بثورة خضراء جديدة مع مخاطر أقل للزراعة. نتيجة لذلك ، فإن زيادة الوعي بفوائد ومشاكل تكنولوجيا النانو أمر ضروري لقبول أفضل من قبل الناس والمجتمع ، وهناك حاجة إلى قدر كبير من البحث لفهم الآليات والسمية الخلوية والأثر البيئي.
نظرًا لأن الذرة محصول مهم في كل من الدول المتقدمة والمتخلفة ويستخدم على نطاق واسع بطرق متنوعة ، يجب تشجيع التعاون بين الشمال والجنوب في تربية الذرة وعلم الجينوم والتكنولوجيا الحيوية النانوية للباحثين العاملين في تخصصات التكنولوجيا الحيوية النظرية والعملية. على الرغم من التقدم السريع حاليًا في تربية الذرة ، وعلم الجينوم ، والتكنولوجيا الحيوية النانوية التي تركز على البلازما الجرثومية للذرة الحرارية ، إلا أنه ينبغي أيضًا تطبيقها لتحسين الذرة شبه الاستوائية والاستوائية التي تعد محصولًا أساسيًا للأمن الغذائي في الدول المتخلفة. من خلال حل عدد كبير من العقبات الجينية والعملية والإدارية ، مثل تطوير التنميط الجيني القائم على الحمض النووي للبذور ، والتقدم المستمر في أجهزة دعم القرار الفعالة ، يمكن التنبؤ بالاستراتيجيات المدعومة بالتكنولوجيا الحيوية الجينية والنانوية أن تصبح عنصرًا روتينيًا في مبادرات تحسين المحاصيل للقطاعين العام والخاص على مستوى العالم.
الفصل التاسع
التقدم في تحرير الجينوم لتحسين الذرة
الذرة هي أهم المحاصيل الأساسية وتساهم بشكل كبير في الأمن الغذائي العالمي من خلال توفير الغذاء. إنه يوفر قدرًا أكبر من الطاقة للإنسان ، ويتزايد الطلب العالمي عليه مع زيادة عدد السكان. نتيجة لتغير المناخ المستمر ، تفرض العديد من العوامل الحيوية وغير الحيوية تهديدات خطيرة لإنتاج الذرة وتؤثر على الأمن الغذائي عالميًا. يجب زيادة إنتاج المحاصيل من أجل ضمان الأمن الغذائي في عصر النمو السكاني والتحديات الحيوية وغير الحيوية. للسيطرة على هذه العوامل وضمان الأمن الغذائي ، يتم تطوير طرق التربية لجعل المحاصيل مقاومة من خلال استهداف سمات محددة للتعامل مع الضغوط لزيادة الغلة والإنتاج. تُستخدم الهندسة الوراثية لصنع هيئات معدلة وراثيًا تقاوم الضغوط وتعزز السمات الزراعية ، لكن هذا النهج له عيوب إلى جانب الاهتمامات البيئية والأخلاقية الأخرى. للتغلب على كل هذه العقبات ، يتم استخدام تقنيات تحرير الجينوم الأخرى مثل الميغانوكليز ، نوكلياز إصبع الزنك ، و TALENs التي تعتمد على البروتين. توفر هذه التقنيات تغييرات فعالة في الجينوم من خلال التعديلات المستهدفة وتنتج سمات زراعية أفضل. لكن هذه التقنيات لها أيضًا بعض القيود. فهي تستغرق وقتًا طويلاً ، ومكلفة ، ويصعب التعامل معها ولا يمكن استخدامها على نطاق واسع. الأداة الأقوى والأمتياز التي تمهد طرقها للتعامل مع كل هذه الضغوط هي CRISPR / Cas9 ، وهي تقنية تعتمد على RNA. تُستخدم تقنية كريسبر لإنتاج متغيرات أفضل مع استهداف فعال بشكل ملحوظ مما يجعلها تقنية أكثر تنوعًا وقوة لهندسة جينوم النبات أكثر من غيرها. هذه التقنية لها العديد من التطبيقات في تحسين الذرة وتستخدم لإنشاء أصناف تتحمل الإجهاد وإنتاج سمات زراعية جديدة لزيادة الغلة والتغذية.
الفصل العاشر
الهندسة الوراثية لتحسين تحمل الإجهاد الحيوي واللاأحيائي في الذرة (Zea mays L.)
حاليًا ، مع الظروف المناخية المتغيرة وتحديات الأمن الغذائي ، فإن استخدام أدوات التكنولوجيا الحيوية الجديدة يسهل نطاقًا أوسع من الحلول. ومن ثم ، فإن تطوير المحاصيل المعدلة وراثيًا هو الموضوع الأكثر سخونة على الإطلاق وقد نما باعتباره أسرع التقنيات الزراعية في العالم. في السوق الدولية ، هناك مشكلة تتعلق بقبول المحاصيل الغذائية المعدلة وراثيًا نظرًا لتأثيرها الضار على الصحة ، ولكن يمكن معالجتها عن طريق عزل الجينات غير الضارة من مصادر محددة أو عن طريق إحداث سمية بشكل صحيح. لحل المخاوف المتعلقة بالمحاصيل المعدلة وراثيًا ، هناك حاجة لاختيار تشريعات صارمة بالإضافة إلى تقييمات فنية صارمة تأخذ في الاعتبار القيم والمتطلبات المجتمعية. يثير تطوير المحاصيل المعدلة وراثيًا بشكل مقصود من خلال إدخال الجينات الأجنبية مخاوف السمية والمخاطر على البشر والبيئة والتنوع البيولوجي الطبيعي والكائنات غير المستهدفة الأخرى. ومن ثم ، لتجاوز مثل هذه المخاوف ، فإن تأييد التقنيات البديلة مثل تكوين رابطة الدول المستقلة وداخل التكوين قد ظهر في دائرة الضوء حيث ينتمي التحول من مجموعة الجينات المتوافقة جنسياً. إصدارات مختلفة من تقنيات تحرير الجينوم الجديدة من خلال استخدام التكرارات القصيرة المتناوبة المتباعدة بانتظام (CRISPR) / نظام Cas تتيح التحرير الدقيق للجين الداخلي والإدخال الخاص بالموقع لـ GOI. إن اعتماد تقنيات تحرير الجينوم هذه لديه القدرة على التحدث عن العديد من القضايا التنظيمية المرتبطة بالجينات المحورة وحل عدم اليقين وعدم الكفاءة المرتبطين بالطفرات العشوائية التقليدية وتكوين الجينات. يمكن لبعض هذه الطرق أيضًا تطوير نباتات محاصيل خالية من أي جينات أجنبية ، مما قد يساعدها في الحصول على قبول أعلى من المستهلك مقارنة بالمحاصيل المحورة وراثيًا والحصول على موافقات تنظيمية أسرع.
يختلف تنظيم المحاصيل المعدلة وراثيًا عبر الدول. من خلال تحديد الحقائق المشتركة والآراء والخبرة الفنية والتجارب لمختلف المصالح المتعارضة مثل الباحثين والبيروقراطيين والسياسيين والمصالح المجتمعية يجب أن ينسق تنظيم تطوير الجينات المعدلة وراثيا. دعمت بعض البلدان على نطاق واسع زراعة المحاصيل المحورة وراثيا بسبب زيادة غلاتها ، وتقليل استخدام المبيدات التي تحافظ على البيئة وتكلفة مبيدات الآفات وإنتاج المحاصيل ذات القيمة الغذائية المتزايدة. ومن ثم ، فإن مفهوم إنتاج المحاصيل المحورة جينيا ، للتوافق مع السيناريو المتغير المناخي ، هو أداة قوية في العصر الحالي. لنشر استخدام المحاصيل المعدلة وراثيا بشكل عام يتطلب المزيد من البحث على المستوى الميداني مع مراعاة كل جانب من جوانب سلامة الإنسان والبيئة. سيساعد في الحصول على الوضوح للاستفادة الكاملة من هذا الاختراع المفيد.
الفصل الحادي عشر
التحسين الوراثي للذرة المتخصصة للحصول على صفات الجودة الغذائية
الذرة المتخصصة المدعمة بيولوجيًا لها آثار هائلة على الغذاء والتغذية. ومع ذلك ، هناك العديد من المهام للتبني الناجح للذرة المُكوَّنة بيولوجيًا والترويج لها على نطاق واسع. يجب توسيع القاعدة الجينية للذرة المدعمة بيولوجيًا من خلال تطوير أنواع هجينة أكثر تنوعًا تتكيف مع البيئة المتنوعة للبلد. في ظل الضغوط الحيوية وغير الحيوية الناشئة باستمرار ، يجب أن تحافظ الذرة المدعمة بيولوجيًا على محصول الحبوب المرتفع ؛ وبالتالي ، فإن تطوير الذرة المحفزة بيولوجيًا المقاومة للمناخ أمر ضروري للغاية. يجب إجراء عملية ترويجية لأصناف الذرة المدعمة بيولوجيًا من خلال المظاهرات واسعة النطاق في حقول المزارعين بطريقة كبيرة.
يجب تنفيذ برنامج إنتاج البذور التشاركي لإنتاج بذور عالية الجودة على نطاق واسع للهجينة المدعمة بيولوجيًا لتلبية الطلب المتزايد على البذور عالية الجودة. يجب أيضًا تنظيم حملات توعية لتسليط الضوء على أهمية المحاصيل الغذائية المدعمة بيولوجيًا. وهذا من شأنه أن يلعب دورًا حاسمًا في تسويق المحاصيل وتعزيز دخل المزارعين الذين يزرعون المحاصيل المدعمة بيولوجيًا. يجب تغيير الاعتقاد بانخفاض غلة الذرة المدعمة بيولوجيًا. تتساوى إمكانات غلة أصناف الذرة المدعمة بيولوجيًا مع الأصناف العادية ، وبالتالي ، يجب تشجيع تبني الذرة المدعمة بيولوجيًا. تم توثيق الفوائد الصحية للذرة المدعمة بيولوجيًا جيدًا من خلال التحقيقات العلمية. ومن ثم ، ينبغي لمنظمات الإرشاد أن تصل إلى القرويين / المستهلكين للترويج لتكنولوجيات الذرة المدعمة بيولوجياً واعتمادها. يجب تشجيع توعية رؤوس العائلات لقبول الذرة المدعمة بيولوجيًا للتخفيف من سوء التغذية. وبالمثل ، فإن تفضيل الأصناف المدعمة بيولوجيًا كعلف حيواني للطيور والخنازير أمر ضروري للغاية لتعزيز إنتاج اللحوم والبيض الكمي والنوعي وعائداتها الصافية اللاحقة. تعد الروابط مع قطاع الدواجن ، والتدخل السياسي للترويج للمحاصيل المدعمة بيولوجيًا ، ودعم الصناعات من خلال الإعانات والقروض ، والسعر الممتاز للمنتجات المدعمة بيولوجيًا على المنتجات التقليدية المتاحة ، وإدراج الأطعمة المدعمة بيولوجيًا في مختلف المخططات التي ترعاها الحكومة ، بعض التدابير لتعزيز الإنتاج و استهلاك الذرة المدعمة بيولوجيا.
الفصل الثاني عشر
التطورات في التنميط الظاهري عالي الإنتاجية للذرة (Zea Mays L.) من أجل المرونة المناخية
الذرة محصول متعدد الاستخدامات يستخدم في منتجات متنوعة. نظرًا لأنه نبات C4 نموذجي للدراسات الوراثية البانت ، فإنه يتم استكشافه أيضًا لتطوير أدوات الفينوم. يعد رصد استجابات النبات للبيئة من صميم ممارسات توصيات إدارة تربية الذرة وإدارتها. نظرًا لطبيعة التنميط الظاهري اليدوي التي تتطلب الكثير من الوقت والعمالة ، فقد تركزت جهود التنميط الظاهري عادةً فقط في المراحل النهائية لنمو المحاصيل لقياس السمات مثل ارتفاع النبات وارتفاع الأذن والمحصول. يمكن أن يسمح تطوير طرق ظاهرية قوية وسريعة ومنخفضة التكلفة بتقييم السمات المورفولوجية الرئيسية طوال موسم النمو. يعد هذا مفيدًا في سياق التكاثر لأنه يسمح للمربين بفهم التباين الجيني في الاستجابات البيئية ، وهو شرط أساسي لتطوير أصناف مقاومة لظواهر الطقس المتطرفة. يمكن أن تساعد التطورات التكنولوجية الحديثة في الطائرات بدون طيار وأجهزة الاستشعار والأدوات الحسابية في إنجاز هذه المهمة. ومع ذلك ، هناك حاجة إلى تحسين البروتوكولات لكل من الأدوات والسمات لتحقيق التأثير المطلوب للظواهر الجينية والجينومية لكل محصول بما في ذلك الذرة. التقدم في إجراءات التحليل الأمثل لاستخراج السمات ذات الأهمية الزراعية باستخدام أنظمة جوية بدون طيار. سيتم تطبيق هذه الإجراءات على حقل متجانس نسبيًا مع أنماط وراثية متغيرة ، على غرار مشتل تربية الذرة لتقييم النباتات على أساس قطعة الأرض للاستجابات المتغيرة للظروف البيئية. بالإضافة إلى ذلك ، تتمتع المستشعرات بدقة طيفية عالية لتقييم النباتات في ظل عدد من ظروف الإجهاد لتحديد الإشارات غير المرئية للإجهاد التي تؤدي إلى ظهور أنماط ظاهرية مرئية ، مما يسمح بتدخلات إدارية مبكرة. سيوفر اكتشاف الأعراض المبكرة غير المرئية وفهمها أيضًا معلومات قيمة للعمل الفسيولوجي والوراثي في المستقبل لفهم الآليات المحددة التي تستخدمها النباتات للاستجابة لبيئتها حتى نتمكن من إنشاء نباتات أكثر مرونة في المستقبل.
الفصل الثالث عشر
تحسين الذرة باستخدام نهج Omics الحديثة
كان تحليل Omics حاسمًا في تحديد العمليات الجينية ، والنمو ، والتنمية ، وتحمل الإجهاد في الذرة. في علم المحاصيل ، استخدمت العديد من مناهج omics ، بما في ذلك علم الجينوم ، وعلم النسخ ، وعلم البروتينات ، وعلم الأيض ، تقنيات عالية الإنتاجية لتفسير التحليل الوظيفي ، والآليات الجزيئية للجينات ، وشبكات الجينات.
علاوة على ذلك ، فإن الجمع بين GWAS وعلم الأيض ، وعلم النسخ ، والعمليات قد أظهر أنه أداة واعدة لتوضيح العمليات الكيميائية الحيوية وتحمل الإجهاد اللاأحيائي في بعض المحاصيل النموذجية بما في ذلك الذرة. أوضحت الدراسات كيف يمكن أن يكون الجمع بين العديد من مناهج omics مفيدًا لتحديد الجينات المرشحة المحتملة ومساراتها. أصبح دمج بعض مناهج omics في علوم المحاصيل ممكنًا بفضل التقدم في التقنيات عالية الإنتاجية والأدوات الحسابية.
إن منصة panomics ، التي تتضمن عناصر متعددة متكاملة مثل الجينوميات ، وعلم الوراثة ، وعلم النسخ ، والبروتيوميات ، والبروتيوميات ، وعلم الأيض ، ستجعل من السهل بناء نماذج للتنبؤ بالسمات المهمة من الناحية الزراعية من أجل تحسين المحاصيل من خلال التكاثر الدقيق. الأهم من ذلك ، أن الجمع بين بيولوجيا الأنظمة ومجموعات بيانات omics المعقدة قد حسن فهمنا لشبكات المنظم الجزيئي لتحسين المحاصيل. تم اكتشاف تفاعلات G-P-E في المحاصيل من خلال البحث. بعد ذلك ، من خلال مفهوم “النمط الجيني إلى النمط الظاهري” ، قد ينتج عن تكامل الجينوميات الوظيفية مع الترانسكريبتوميات ، والبروتيوميات ، وعلم الأيض ، صفات نمطية ظاهرية لجودة المحاصيل تحت ضغوط معينة.
الفصل الثالث عشر
التحوير الناجم عن مسببات الأمراض الفطرية للبروتينات الهيكلية والوظيفية في Zea mays L.
يعرض الفصل الوضع الحالي والشامل لبحوث الدفاع عن النبات بين الذرة ومسببات الأمراض الفطرية التي تسبب خسائر فادحة. التفاعلات الميكروبية النباتية هي أحداث جزيئية معقدة متشابكة للغاية وتشكل صعوبة في التعامل معها. جعلت دراسات البروتيوميات باستخدام التقنيات المتقدمة وسيلة للمضي قدمًا. من المعروف أن البروتينات هي حصيلة عمل آلية الخلية ويمكن استخدامها لفهم الأحداث الجزيئية أثناء تطور المرض والدفاع عن النبات. يشير تراكم وتفعيل أنواع معينة من البروتينات إلى مشاركتها في الدفاع عن النبات. ومن المتوقع أن تكون معظم سمات مقاومة أمراض النبات متعددة الجينات الكمية وتنظمها العوامل البيئية. نظرًا لأن تفاعلات مرض الذرة والفطريات معقدة للغاية ، فإن الكشف الكامل عن النقاب يعد مهمة صعبة ويحتاج إلى نهج بيولوجيا الأنظمة للتعامل مع البيانات الضخمة. في المستقبل ، من المتوقع أن تفتح بروتينات التعبير التفاضلي والتفاعلات البينية جنبًا إلى جنب مع تقنيات omics عالية الإنتاجية الأخرى طرقًا جديدة لعلماء الوراثة والمربين لتطوير أصناف مقاومة للذرة.
الفصل الرابع عشر
دور البكتيريا الجذرية في تعزيز نمو النبات في تخفيف إجهاد الجفاف في الذرة
بشكل عام ، تساعد الكائنات الحية الدقيقة المفيدة (PGPRs) وتفاعلها مع النباتات في الحفاظ على المحصول المستدام ونمو نباتات الذرة تحت الضغوط اللاأحيائية ، مثل إجهاد الجفاف. تعزز التفاعلات الميكروبية النباتية إنتاج الهرمونات النباتية والمستقلبات الكيميائية الحيوية لتوفير التكيف الضروري والتسامح في ظل ظروف الإجهاد. تم الإبلاغ عن عدد قليل فقط من الدراسات حول التفاعل الميكروبي في النبات والآلية الدقيقة التي لا يُعرف بها إجهاد الميكروبات. هناك حاجة لاستكشاف المزيد من الشيوعيين الميكروبيين ، ويجب الانتباه إلى آليات تحمل الإجهاد. نتوقع أن يعتمد الجيل القادم من الأدوات الزراعية على التكامل الذكي للعزلات الميكروبية.
تنبيه هام، المنشور يعبر عن رأي الكاتب ويتحمل مسؤوليته، دون ادنى مسؤولية علي الجريدة
تنبيه