خبرگزاری تسنیم؛ گروه اقتصادی ــ در کشاورزی مدرن، مقاومت گیاهان به تنش‌های مانند خشکی و آفات تبدیل به یک ضرورت استراتژیک شده است. بشر برای تسریع این فرایند و کاهش وابستگی به روش‌های سنتی، به فناوری‌هایی روی آورده که جلوی تغییرات ژنتیکی تصادفی و غیرهدفمند را می‌گیرد. یکی از این مجموعه روش‌ها، تابش هدفمند یا شاخه‌ای از بیوتکنولوژی هسته‌ای است که با وارد کردن تحریک‌های کنترل‌شده به ژنوم گیاه، امکان ایجاد یا شناسایی جهش‌های مقاومتی را فراهم می‌کند.
این فناوری به کمک ایزوتوپ‌ها یا تابش الکترون (E-beam) یا گاما، در دوزهای مشخص و پایین، قادر است سلول‌های گیاهی را تحریک کند تا سری به تغییرات ژنی بزند که مقاومت در برابر تنش را افزایش می‌دهند. این جهش‌ها با بررسی ژنومی قابل ردیابی و تحلیل‌اند تا ژن‌های فعال در مقاومت شناسایی و نقشه‌برداری شوند.
از آنجا که تابش هدفمند به‌شدت دقیق‌تر از تابش تصادفی در طبیعت و کمتر ریسک دارد نسبت به مهندسی ژنتیک، جایگاه نوینی در برنامه‌های اصلاح نباتی یافته است. این نوشتار قصد دارد نشان دهد چگونه این فناوری می‌تواند ژن‌های خاص مقاومت به خشکی و آفات مانند ژن‌های HKT1، DREB، NBS-LRR و GT را شناسایی کند و در نهایت به کاربرد در اصلاح نباتات و تولید ارقام مقاوم منجر شود.
در همین زمینه بیشتر بخوانید
«به‌نژادی جهشی» و تولید ارقام مقاومپایش کیفیت و آلودگی آب‌های زیرزمینیتکنیک «عقیم‌سازی آفات نر» با پرتودهیکاهش مؤثر ضایعات با پرتودهی هستهایرهگیری آب و تغذیه گیاه با پرتودهی هسته‌ای«پرتودهی هسته‌ای» جایگزینی امن برای فناوری ناایمن «تراریخت»پرتودهی خوراک دام؛ افزایش ایمنی زیستی و بهره‌وری دامپروریپاستوریزهسازی مواد غذایی با فناوری هستهایامضای ایزوتوپی، برای تأیید اصالت مواد غذاییمدیریت بیماری‌های ویروسی دام با پرتودهی هستهایبهبود تاب‌آوری در برابر تنش‌های اقلیمی با فناوری هستهایبهینهسازی فتوسنتز و افزایش کارایی گلخانه‌ها؛ با کنترل هستهایارزشافزوده محصولات جانبی و ضایعات کشاورزی، با فناوری هستهایتوسعه بسته‌بندی‌های مقاوم هسته‌ای برای صادرات ایمن مواد غذایی کشاورزی«کنترل کپک‌ها و مایکوتوکسین‌ها در ذرت و بادام‌زمینی» با فناوری هستهایافزایش ماندگاری محصولات کشاورزی در زنجیره سرد، با ترکیب فناوری پرتودهیمبارزه با علف‌هرز، با فناوری هسته‌ای
معرفی و اصول کلی فناوری
فناوری تابش هدفمند در ژنومیک کشاورزی، بر پایه تاباندن پرتوهای یونیزان (گاما، اشعه X یا الکترون) با دوز زیرآستانه تخریب سلولی است. این تابش می‌تواند تغییرات ساختاری یا جهش‌هایی کنترل‌شده در DNA ایجاد کند. برخلاف فناوری تراریخته، این روش بدون وارد کردن ژن خارجی عمل نموده و فقط ژن‌های داخلی را تحریک می‌کند.
اصول کار بدین‌صورت است: گیاهچه‌ها یا نشاها در مرحله حساس تقسیم سلولی (مرحله جنینی یا پنج تا ده روز پس از جوانه‌زنی) در معرض تابش قرار می‌گیرند. سپس با تکنیک‌های ژنومیک مانند SNP genotyping و RNA-seq، تغییرات بیان ژن‌ها و ساختار ژنوم بررسی می‌شود. با ترکیب داده‌های بیوانفورماتیک و آمار ژنتیکی، ژن‌هایی که فعال یا جهش‌یافته‌اند شناسایی می‌شوند؛ سپس رده‌های مقاوم برای تحقیقات بعدی حفظ می‌گردند.
این روش امکان قیاس مستقیم بین گروه شاهد و پرتودیده را فراهم می‌سازد و افزایش احتمال یافتن ژن‌هایی که در کنترل خشکی، نمک‌زدگی یا مقاومت به ویروس‌ها نقش دارند را بسیار بالاتر می‌برد.
اجزای اصلی سیستم
یک سامانه ژنومیک با تابش هدفمند شامل موارد زیر است:
- منبع تابش: دستگاه‌هایی مانند شتاب‌دهنده الکترونی یا منابع گاما (کبالت-۶۰) با توان تنظیم دقیق دوز (در واحد Gray) هستند.
- محیط کشت/گلخانه: فضای کنترل‌شده برای رشد نشا در مراحل اولیه و بعد از تابش، با کنترل دما، رطوبت و نور.
- تجهیزات نمونه‌برداری ژنومی: شامل کیت‌های استخراج DNA/RNA، سانتریفیوژ، PCR، دستگاه طیف‌سنج Next-Gen Sequencing.
- نرم‌افزارهای تحلیل ژنومی و بیوانفورماتیک: برای تحلیل داده‌های SNP، RNA-seq، GWAS و تعیین ارتباط ژن فنوتیپ.
- کتابخانه جهش‌های ژنومیک: مجموعه‌ای از خطوط گیاهی پرتودهی‌شده که هرکدام ویژگی فنوتیپی ثبت‌شده دارند.
- سیستم مدیریت داده: برای ضبط شرایط تابش، شرایط رشد، داده‌های ژنتیکی و نتایج فنوتیپی در قالب بانک اطلاعاتی ساخت‌یافته.
این اجزا با همکاری بین فیزیکدانان پرتو، ژنتیک‌دانان، زیست‌شناسان گیاهی و کارشناسان داده، یک چرخه عملیاتی تکرارشونده فراهم می‌کنند که از پرتودهی تا شناسایی ژن، انتخاب لاین و توسعه محصول ادامه یابد.
فرآیند کلی انجام
فرآیند کلی تحقیقات ژنومیک مبتنی بر تابش‌های هدفمند، در اصل تلاقی سه شاخهٔ علمی است:
پرتودهی کنترل‌شده، زیست‌فناوری مولکولی، و پردازش داده‌های ژنومی. نخست، بذر یا بافت گیاه (نظیر کالوس یا گیاهچه) در معرض تابش‌های یون‌ساز قرار می‌گیرد. نوع تابش بسته به هدف می‌تواند شامل پرتوهای گاما(Co-60 یا Cs-137)، نوترون‌های حرارتی، یا حتی پرتوی پروتون در شتاب‌دهنده‌های سبک باشد. دوز تابش بسته به گونهٔ گیاهی، حساسیت ژنی، و بافت هدف، در بازه‌هایی از ۵ تا ۱۵۰ گری تنظیم می‌شود.
پس از مرحلهٔ پرتودهی، گیاه در شرایط ایزوله کشت داده می‌شود تا جهش‌های پایدار فنوتیپی ظهور کنند. در این مرحله، انتخاب فنوتیپی مقدماتی بر اساس تحمل به تنش خشکی (مانند ماندگاری در کم‌آبی مصنوعی یا شاخص سبزینگی برگ) و نیز مقاومت به آفات خاص (از طریق تلقیح هدفمند با آفت) انجام می‌شود.
سپس نمونه‌های مقاوم برای تحلیل‌های مولکولی آماده می‌شوند. استخراج RNA، تعیین پروفایل بیان ژن با RNA-Seq، و تطبیق آن با توالی مرجع، مسیر شناسایی ژن‌های درگیر در پاسخ‌های مقاومتی را ممکن می‌سازد. در ادامه، با بهره‌گیری از تحلیل‌های بیوانفورماتیکی، جهش‌های نقطه‌ای یا القایی، متیلاسیون نواحی تنظیمی، و تغییر در شبکه‌های تنظیم ژن مورد مطالعه قرار می‌گیرد.
انواع کاربردها: از مزرعه تا آزمایشگاه
تحقیقات ژنومیک با پرتودهی هدفمند، کاربردهای وسیعی دارد که بسته به هدف برنامه‌ریزی می‌شود. یکی از مهم‌ترین آن‌ها، شناسایی ژن‌های مقاوم به تنش‌های محیطی مانند خشکی، شوری و گرماست. در مناطقی که کشاورزی در تنش اقلیمی قرار دارد، شناسایی و به‌کارگیری این ژن‌ها می‌تواند به خلق واریته‌های مقاوم و پایدار منجر شود.
کاربرد دیگر، مقابله با آفات و بیماری‌هاست. از طریق پرتودهی می‌توان جهش‌هایی ایجاد کرد که باعث افزایش تولید پروتئین‌های دفاعی (مانند PR-proteins یا آنزیم‌های تقویت دیوارهٔ سلولی) شوند. این راهبرد به‌ویژه در محصولاتی مانند پنبه، گوجه‌فرنگی و برنج در برابر آفات متداول نظیر کرم ساقه‌خوار، شته، یا سفیدک پودری مؤثر بوده است.
همچنین، این فناوری می‌تواند در شناسایی نشانگرهای مولکولی پیوسته با ژن‌های مقاوم نقش داشته باشد. چنین نشانگرهایی ابزار ارزشمندی برای برنامه‌های اصلاح نباتات مبتنی بر انتخاب به کمک نشانگر (MAS) هستند.
در سطح بنیادی‌تر، پرتودهی هدفمند به‌عنوان ابزاری برای مطالعه عملکرد ژن‌ها نیز کاربرد دارد؛ به‌ویژه در پژوهش‌هایی که هدف آن‌ها شبیه‌سازی تغییرات طبیعی در مقیاس زمانی کوتاه‌تر است.
مزایای این روش نسبت به روش‌های سنتی
فناوری پرتودهی هدفمند برای شناسایی ژن‌های مقاوم، در مقایسه با اصلاحات ژنتیکی کلاسیک یا حتی برخی فناوری‌های مدرن‌تر مانند CRISPR، مزایای مهمی دارد. نخست اینکه، این روش وابسته به انتقال ژن خارجی نیست و در نتیجه از منظر پذیرش عمومی، بوم‌شناسی، و مقررات ایمنی زیستی، کم‌تنش‌تر محسوب می‌شود. در بسیاری کشورها، موتاسیون‌های ناشی از تابش همچنان به‌عنوان «غیرتراریخته» طبقه‌بندی می‌شوند.
مزیت دوم، توانایی تحریک طیف وسیعی از ژن‌ها به‌صورت هم‌زمان است. برخلاف روش‌های کلاسیک که عمدتاً متکی به جهش‌های طبیعی کم‌تعدادند، پرتودهی امکان ایجاد تنوع وسیع ژنتیکی را فراهم می‌کند. این تنوع ماده خام ارزشمندی برای غربال‌گری ژن‌های نافع در شرایط گوناگون است.
از سوی دیگر، روش‌های سنتی مانند انتخاب فنوتیپی یا تلاقی‌های کلاسیک، معمولاً زمان‌بر، پرهزینه و کم‌دقت هستند. در مقابل، پرتودهی هدفمند در کنار تحلیل‌های ژنومی می‌تواند در مدت کمتر، تعداد بیشتری از نمونه‌ها را با دقت بالا بررسی و اصلاح کند.
همچنین، این روش به‌ویژه در محصولاتی که اصلاح ژنتیکی آن‌ها دشوار یا زمان‌بر است (مانند درختان میوه یا گیاهان دارویی)، راهکاری مؤثرتر فراهم می‌آورد. در نتیجه، می‌توان گفت که رویکرد پرتودهی هدفمند، به‌عنوان ابزاری مکمل، شکاف میان روش‌های کلاسیک و ویرایش ژنی دقیق را پر می‌کند و مسیر توسعه کشاورزی مقاوم را هموار می‌سازد.
چالش‌ها و محدودیت‌ها
گرچه فناوری استفاده از تابش‌های هدفمند برای مطالعات ژنومی در کشاورزی، چشم‌اندازهای نوینی گشوده است، اما همچنان با چالش‌ها و محدودیت‌هایی مواجه است که توجه به آن‌ها برای موفقیت در اجرا حیاتی است. نخستین چالش، کنترل دوز پرتودهی با دقت بالاست. اعمال دوزهای بیش از حد منجر به مرگ سلولی یا ایجاد جهش‌های غیرقابل پیش‌بینی می‌شود، در حالی که دوزهای بسیار کم ممکن است اصلاً تأثیری نگذارند. این امر مستلزم تجهیزات پرتودهی دقیق، نظارت مستمر، و کالیبراسیون مداوم منابع پرتوی است.
از سوی دیگر، پیش‌بینی‌ناپذیری جهش‌های القایی از جمله محدودیت‌های ذاتی این فناوری است. برخلاف روش‌هایی مانند CRISPR که امکان ویرایش دقیق را فراهم می‌آورند، در پرتودهی اغلب جهش‌ها به‌صورت تصادفی در ژنوم رخ می‌دهند و نیازمند غربال‌گری وسیع و پرهزینه‌اند. این فرایند به‌ویژه در گیاهانی با ژنوم‌های بزرگ یا پیچیده، مانند گندم یا درختان میوه، نیازمند حجم عظیمی از داده‌پردازی و تحلیل بیوانفورماتیکی است.
یکی دیگر از موانع، نبود زیرساخت‌های پیشرفته بیوانفورماتیکی و آزمایشگاهی در بسیاری از کشورهاست. شناسایی دقیق جهش‌های عملکردی، نیازمند توالی‌یابی نسل جدید (NGS)، پایگاه‌های داده ژنومی کامل، و دانش بین‌رشته‌ای در حوزه‌های زیست‌شناسی محاسباتی است.
از جنبه‌ای دیگر، پذیرش عمومی و مقررات زیست‌محیطی نیز می‌تواند چالش‌زا باشد. گرچه این روش عمدتاً در طبقه‌بندی GMO قرار نمی‌گیرد، اما در برخی کشورها نیاز به مجوزهای پرتودهی، محدودیت‌های آزمایشگاهی، یا استانداردهای ایمنی زیستی خاص دارد. افزون بر این، تأمین پایدار منابع پرتوی باکیفیت، و آموزش نیروهای انسانی برای کار با این فناوری، از دیگر نیازهای اساسی و گاه پرهزینه در این مسیر است.
استانداردها و دستورالعمل‌های بین‌المللی
تحقیقات ژنومیک مبتنی بر تابش‌های هدفمند، به‌واسطه ماهیت پرتوزا و اثرات زیستی بالقوه، در چهارچوب استانداردهای بین‌المللی مشخصی انجام می‌گیرد. یکی از مهم‌ترین مراجع در این زمینه، آژانس بین‌المللی انرژی اتمی (IAEA) است که در کنار سازمان غذا و کشاورزی ملل متحد (FAO)، دستورالعمل‌هایی برای استفاده ایمن و مؤثر از تابش در علوم کشاورزی تدوین کرده است.
در زمینه پرتودهی، استانداردهایی مانند IAEA Safety Series No. 115 به‌عنوان مرجع پایه برای دوزهای ایمن پرتودهی، حفاظت کارکنان، و نحوه ذخیره‌سازی منابع پرتوزا به‌کار می‌رود. برای پرتودهی مواد گیاهی نیز، دستورالعمل‌هایی برای تعیین دوز بهینه، نوع تابش، زمان تماس، و شرایط نگهداری پس از پرتودهی در دسترس است که توسط شبکه‌های منطقه‌ای زیر نظر IAEA به‌روزرسانی می‌شوند.
در حوزه ژنومیک، اصول اخلاقی کار با داده‌های ژنتیکی و دستورالعمل‌های مربوط به توالی‌یابی ژنوم (مانند FAIR Guiding Principles for scientific data) از الزامات بنیادی هستند. همچنین، اگر نتایج این پژوهش‌ها در برنامه‌های اصلاح نژادی به‌کار گرفته شوند، پایبندی به دستورالعمل‌های کنوانسیون تنوع زیستی (CBD) و پروتکل ناگویا در خصوص دسترسی به منابع ژنتیکی و تقسیم منافع حاصل از آن‌ها الزامی خواهد بود.
در برخی کشورها، کاربرد این فناوری در چارچوب استانداردهای داخلی نیز تنظیم می‌شود. برای مثال، در اتحادیه اروپا، مقررات خاصی برای کنترل جهش‌های القایی، انتشار عمومی نتایج پژوهش‌های پرتویی، و پایش پیامدهای زیست‌محیطی وجود دارد. این روندها در راستای افزایش شفافیت علمی و اطمینان از ایمنی فرآیند، به‌عنوان بخشی از اعتمادسازی عمومی عمل می‌کنند.
پیشرفت‌های نوین
در سال‌های اخیر، ترکیب فناوری‌های پرتودهی با پیشرفت‌های چشمگیر در زیست‌شناسی مولکولی، افق‌های نوینی برای شناسایی ژن‌های مقاوم گشوده است. یکی از تحولات مهم، استفاده از پرتوی لیزری هدفمند با طول موج تنظیم‌پذیر برای ایجاد جهش‌های دقیق‌تر در ژن‌های خاص است. این روش که در مراحل آزمایشگاهی در برخی مراکز مانند INRA فرانسه توسعه یافته، امکان کنترل بهتر بر نواحی جهش‌پذیر را فراهم می‌آورد.
در عرصه ژنومیک نیز، افزایش قدرت و کاهش هزینه‌های توالی‌یابی نسل جدید (NGS)، امکان تحلیل هم‌زمان هزاران نمونه را فراهم ساخته است. این امر به پژوهشگران اجازه می‌دهد تا پروفایل‌های جهش‌یافته را به‌صورت سیستماتیک و سریع بررسی و غربال‌گری کنند. همچنین، به‌کارگیری الگوریتم‌های یادگیری ماشین در تحلیل داده‌های بیان ژنی، به شناسایی الگوهای پیچیده مقاومت در سطوح چندگانه (ژن، مسیر، شبکه‌های تنظیمی) کمک شایانی کرده است.
در برخی پروژه‌ها، ادغام داده‌های فنوتیپی با اطلاعات هواشناسی و محیطی نیز آغاز شده تا ارتباط بین ژن‌های جهش‌یافته و تحمل به خشکی یا آفات در شرایط میدانی تحلیل شود. این روند، فناوری پرتودهی را از یک روش صرفاً آزمایشگاهی به ابزار پشتیبان تصمیم‌گیری در مقیاس مزرعه ارتقا داده است.
همچنین، برنامه‌های بین‌المللی مشارکتی همچون پروژه «Mutant Varieties Database» تحت حمایت IAEA، بانک‌های اطلاعاتی از ژن‌های جهش‌یافته مقاوم گردآوری کرده‌اند که به اشتراک‌گذاری داده‌ها و تسهیل اصلاح نباتات در کشورهای مختلف کمک می‌کند.
آینده‌شناسی و توصیه‌ها
چشم‌انداز آینده برای استفاده از تابش‌های هدفمند در مطالعات ژنومی، بیش از آن‌که در فناوری صرف ریشه داشته باشد، در همگرایی زیرساخت‌های دانشی، داده‌محور و زیست‌محیطی شکل می‌گیرد. جهان کشاورزی با چالش‌هایی چون تغییر اقلیم، گسترش خشکسالی‌های متوالی، و بروز گونه‌های مقاوم از آفات و بیماری‌ها مواجه است. در چنین شرایطی، تابش هدفمند به‌عنوان ابزار بی‌جان اما هوشمند در خدمت زیست‌شناسی مدرن قرار گرفته تا مسیرهایی جدید برای اصلاح ژنتیکی بیابد، بی‌آن‌که وارد مناقشات اخلاقی گسترده دست‌کاری مستقیم ژنوم شود.
در افق پیش‌رو، فناوری‌های پرتوی می‌توانند با تکنیک‌های جدیدی مانند ژنوتایپینگ با وضوح بالا، آنالیز بیان ژن با استفاده از RNA-seq و پروفایل‌سازی اپی‌ژنتیکی ترکیب شوند. این هم‌افزایی، هم ژن‌های مؤثر در تحمل خشکی و مقاومت به آفات را شناسایی می‌کند، و هم امکان شناخت مسیرهای تنظیمی و تعاملات ژنتیکی پیچیده را نیز فراهم می‌سازد.
توصیه می‌شود کشورهایی که به‌دنبال توسعه کشاورزی مقاوم در برابر تنش‌های زیستی و غیرزیستی هستند، زیرساخت‌های پرتودهی کنترل‌شده و شبکه‌های بیوانفورماتیکی خود را تقویت کنند. همچنین، طراحی پایگاه‌های داده ملی جهش‌های القاشده و ایجاد سازوکارهایی برای به‌اشتراک‌گذاری داده با نهادهای بین‌المللی، راهبردهایی است که باید به‌طور جدی پیگیری شود.
جمع‌بندی
با عبور از قرن بیستم و ورود به عصری که کشاورزی تضمین‌کننده بقا در برابر بحران‌های اقلیمی است، ابزارهای علمی نیز باید به همان اندازه تحول یابند. فناوری استفاده از تابش‌های هدفمند در مطالعات ژنومی، تبلور یکی از این ابزارهاست که توانسته است با دقت، اثربخشی و نسبی بودن ایمنی، جایگاهی معتبر در میان فناوری‌های نوین اصلاح نباتات پیدا کند.
این فناوری، امکان شناسایی ژن‌های مقاوم به خشکی، شوری و آفات را در زمانی بسیار کوتاه‌تر فراهم کرده، به کشاورزان و پژوهشگران این قدرت را داده که از میان هزاران ترکیب ژنتیکی، بهینه‌ترین گزینه‌ها را برای ادامه کشت در شرایط ناپایدار اقلیمی انتخاب کنند. مزیت مهم این روش آن است که در اغلب موارد در طبقه‌بندی GMO قرار نمی‌گیرد و بنابراین، از نظر رگولاتوری نیز راه‌گشاتر است.
با این حال، همان‌گونه که اشاره شد، این مسیر بدون چالش نیست. فقدان زیرساخت، نبود استانداردهای ملی، کمبود نیروی انسانی متخصص و عدم دسترسی به تجهیزات پرتودهی مدرن، از موانعی است که باید با برنامه‌ریزی دقیق و همکاری‌های فرامرزی مرتفع گردد.
انتهای پیام/
دیدگاهتان را بنویسید