جهود تربية المحاصيل لتحمل الإجهاد الحراري
Breeding efforts for heat stress tolerance
طرق التربية التقليدية Traditional breeding methods
لقد أمكن من خلال مجهودات مربوا النباتات استنباط مجموعة من أصناف المحاصيل الحقلية المتميزة بخصائص مورفوفسيولوجية وبيوكيماوية تمكنها من تحمل الحرارة العالية. فتحت الظروف المصرية، استطاع مربى النبات استنباط مجموعة من أصناف قمح الخبز المتحملة للإجهاد الحرارى مثل جيزة 160 (تكامل) وسدس 1 وجيزة 164 وجيزة 168 وسخا 93 وسخا 94 وجيزة 155 وأصناف قمح المكرونة سوهاج 3 وبنى سويف 1 وبنى سويف 3 وأصناف الشعير جيزة 130 وجيزة 131 وجيزة 2000 .
ولقد نجح البرنامج القومي لتحسين القمح في مصر خلال الخمس والعشرين سنة الأخيرة في زيادة إنتاجية القمح من 3.3 طن للهكتار في عام 1981 إلى 5.1 طن للهكتار في عام 1991 إلى حوالي 6.8 طن للهكتار في عام 2006 بزيادة قدرها 106 % (Anonymous, 2006).
وعالمياً، أمكن في الولايات المتحدة الأمريكية تحسين ثمانية أصناف من القمح في الفترة من 1874 - 1994 من خلال الانتخاب لثبات الغشاء الخلوي للبادرات لتحمل الحرارة العالية ومحصولي الحبوب ومكوناته (2002 Assad and Paulsen) .
وباستعراض التقدمات التي أمكن تحقيقها في مستويات محصول الاقماح والأقلمة خلال العقود الماضية، فقد وصل التحسين في محصول الحبوب في مناطق العالم المختلفة إلى حوالى 0.36 % / السنة في الفترة من 1860 - 1986 في أستراليا (Siddique et al, 1989)؛ 0.39 %/ السنة في الفترة من 1830 - 1986 في إنجلترا (1989 ,.Austin et al)؛ 0.90 %/ السنة في الفترة من 1950 - 1982 في المكسيك Waddington et al., 1986)) 0.53 % / السنة في الفترة من 1911 - 1978 في محصول الربيعي في شمال داكوتا بالولايات المتحدة الأمريكية (1985 ,.Deckerd et al) ومن 0.44-0.72 %/ في الفترة من 1874 - 1994 في كنساس Cox et al., 1988 and Donmez.et al 2001)). وقد أعزيت الزيادة في محصول الحبوب إلى الصفات المورفولوجية وطراز النبات القصير والأكثر توزيعاً لناتجات التمثيل الغذائي والذي أسهم بصورة فعالة في زيادة الناتج من وحدة المساحة ودليل الحصاد تحت ظروف الإجهاد ( Calderini et al., 1999 and Barutcular et al., 2000) .
وفى الأرز، أمكن تطوير وإنتاج أصناف مبكرة النضج تتميز بفترة نمو قصيرة يوم تتحمل ظروف البيئة غير المواتية مثل جيزة 177 وجيزة 178 وجيزة 182 وسخا 102 وسخا 103 وسخا 104 وهجين 1 وهجين 4، والتي تعتبر من الإنجازات الهامة على المستوى القومي المصري إذ يوفر ذلك حوالى 30٪ من الاحتياجات المائية للأرز بما يوازي 3-2.5 مليار متر مكعب من ماء الري.
كما أمكن استغلال قوة الهجين في إنتاج عديد من هجن الذرة الشامية الفردية والثلاثية والزوجية عالية التحمل لظروف البيئة غير المواتية وكذا هجن الذرة الرفيعة الفردية مينا وحورس والأصناف شندويل 2 وشندويل 6 ذات عرش أبرد ومعدل تمثيل ضوئي و محصول عالي تجود تحت ظروف الوجه القبلي.
وقد لعبت برامج التربية دوراً هاماً في تحسين المحتوى المائي في أصناف فول الصويا وتجنب انخفاض معدلات التمثيل الضوئي والأنشطة الفسيولوجية الأخرى التي تحدث في الأصناف القديمة، وقد شجع ذلك على زراعة فول الصويا تحت ظروف الحرارة المرتفعة كما في الأصناف كلارك وكراوفورد وكولومبس (2001 ,Atta Allah).
كما لعب التهجين الرجعي دوراً هاماً في نقل صفة المقاومة للحرارة من سلالة القطن المتحملة 7456 التابعة لـ barbadense إلى السلالة الحساسة Paymaster 404 التابعة لـ Ghirsutum. عن طريق تهجين السلالة الحساسة 404 Paymaster بحبوب لقاح الأب المعطى 7456 بعد تعريضها لمدة 15 ساعة لدرجة حرارة 35 م. ومن خلال سلسلة من التهجينات الرجعية مع الأب 404 Paymaster، أمكن انتخاب عدد من التوليفات الوراثية المتحملة للحرارة العالية Rodriguez - Gary and Barrow., 1988)) .
وقد أسهم التهجين الصنفي في استنباط أصناف القطن جيزة 75 وجيزة 76 وجيزة 77 وجيزة 80 وجيزة 83 وجيزة 89 وجيزة 90 وجيزة 91 لتصلح للزراعة تحت الظروف البيئية الأقل ملاءمة.
وبالانتخاب النسب واستخدام الواسمات الجزيئية أمكن استنباط سلالات جديدة من محصول العدس هي سلالة 1 ، سلالة 2 ، سلالة 3 وسلالة 4، تفوقت على صنف المقارنة جيزة 9 في المحصول والصفات المرتبطة، لتصلح في أسيوط والمطاعنة بصعيد مصر. وأفادت تقنية RAPD - PCR في تعريف وتمييز سلالات العدس المبشرة (2003 ,.Abo - Elwafa et al). ويوضح الشكل التالي خطوات برنامج الانتخاب المنسب في العدس
دور التقنية الحيوية في تحسين تحمل الإجهاد الحراري:
Role of biotechnology in improving heat stress tolerance
طبقاً للتحليلات والدراسات المناخية، فإن التغير في ظروف المناخ والارتفاع المستمر في درجة حرارة الغلاف الجوي تؤثر بلاشك على إنتاجية كثير من أصناف المحاصيل المنزرعة. ولذلك يجب الاهتمام باكتشاف واستخدام جينات واليلات جديدة تستطيع مقاومة الإجهاد الحرارى وتحسين كفاءة طرق التربية والانتخاب باستخدام الواسمات الجزيئية واتباع تقنيات نقل الجين وعلى ذلك، فإن هناك توجهات جديدة فيما يتعلق بتكنولوجيا التحوير الوراثي في محاصيل الحبوب، يمكن سردها في الآتي :
1- تحسين طرق الانتخاب وكفاءة الجينات المختارة.
2- التحديد الدقيق للمواقع الوراثية الخاصة بمقاومة الإجهاد الحراري.
3- التعمق في دراسة التركيب والشكل الفراغي (Topography) للجينوم المعرفة أفضل المواقع لإدخال الجينات.
4- التعرف على مواقع التحكم الوراثي بشكل أفضل.
5- تحسين إمكانية نقل القطع الكبيرة من المادة الوراثية.
6- التمثيل الوراثي (Genotype modelling) للأصناف المنزرعة في بيئات محددة.
شكل يبين: رسم تخطيطي لبرنامج استنباط سلالات جديدة من العدس
1- معلمات دنا DNA-markers
تفيد المعلمات الجزيئية في تحديد مواقع الجينات والأليلات المرتبطة بمقاومة الإجهاد الحرارى . فقد أفادت تقنية الـ PCR في تشخيص وعزل جين GPAT المشفر لإنتاج الأحماض الدهنية Trienoic المرتبطة بالأقلمة للحرارة العالية وتأكيد انتقاله Verma and Santha, 2003) ). وأمكن تعيين 83 جين كامل التتابع و 89 جين غير كامل كلياً لنباتات القمح والذرة والشعير والأرز، مسئولة عن إنتاج بروتينات الصدمة الحرارية، وتحديد عدد كبير من الجينات النظيرة المشابهة في تركيبها لهذه البروتينات وخاصة بروتين 70 HSP و HSP 90 (Lee and Schöffl 1996 and Lee and Vierling 2000 ).
وقد أمكن توظيف خمسة بوادي في تمييز الاختلافات الوراثية بين أصناف القمح سوهاج 1 وجميزة 1 وسخا 69 وجيزة 167 والتباينات الجسدية المختلفة Somaclones الناتجة عنها والمتباينة في تحملها للإجهاد الحراري، وأمكن بتقنية الـ RAPD الحصول على 42 تضاعف Amplifications كانت جميعها متعددة المظاهر Polymorphic ( جدول 1 ) وتراوح التماثل بين أصناف القمح والتباينات الجسدية بين 41.3 الى 84.8 % (Barakate et al., 2004) .
جدول 1: عدد التضاعفات Amplifications والنواتج متعددة المظاهر
باستخدام خمسة بوادئ في أصناف القمح وتبايناتها الجسدية
وقد أفادت معلمات الـ RAPD - PCR في التعرف على وتمييز سلالات من العدس مستنبطة حديثاً، حيث ظهرت الحزم الجديدة 1078bp في السلالة 3 و bp 1355 في السلالة المنتخبة 4. واعتبرت الحزم bp 3636 و 1127 و 1066 و 560 و 965 و 2805 واسمات جزيئية موجبة للسلالات ILL 5753, ILL 6005, Line 4, Line 3, Line2 ، 6004 ILL على الترتيب. وأشار التحليل الوراثي، أن قيم التماثل العالية تعزى إلى قلة الاختلافات الوراثية بينهم لاشتراكم في المنشأ ضمن برنامج التربية (Abo - El wafa et al., 2003) .
2 - تقنية نقل الجين Gene transfer technology
يفيد استخدام تكنيكات الهندسة الوراثية ونقل الجين بنجاح في تحوير التعبير الجيني لبعض بروتينات الصدمة الحرارية (Heat shock proteins (ESPs وجينات المقاومة في بعض النباتات الاختبارية ((Model plants. كما أمكن استخدام جينات واليلات جديدة من أنواع نباتية وغير نباتية ونقلها إلى الأصناف المرغوبة. فقد تمكن علي وآخرون (1992) من إنتاج خلايا ونباتات قمح مقاومة للحرارة بمعاملة كالوس أصناف القمح جيزة 157 وسخا 69 وسوهاج 2 بـ د. ن . أ المعزول من Bacillus sp عند 35 م و 40 م، حيث أعطى الصنف سوهاج 2 أعلى نسبة من النباتات المتحولة وراثياً المقاومة للحرارة عند 40 يليه الصنف جيزة 157 ثم سخا 69 . وتشير نتائج الدراسة إلى أن التحسين الوراثي لتحمل الحرارة يمكن الوصول إليه بسرعة وكفاءة تعادل خمسة أضعاف مقارنة بالطرق التقليدية.
كما أمكن استخدام الجينات المنظمة لتعبير بروتينات الصدمة الحرارية (HSPS) واستخدام مكونات الإشارة الخلوية Cellular signals لزيادة المقاومة.
وتشير الاتجاهات البحثية الحديثة إلى نجاح الحصول على نباتات وسلالات متحولة وراثياً بالجين المتحكم في محتوى الأحماض الدهنية غير المشبعة Trieonic المرتبط بالأقلمة للحرارة العالية (2003 Iba,) والحصول على نباتات من المحاصيل الحقلية معدلة وراثياً من خلال تحريك شظية جين GPAT Glycerol - 3 - phosphate acyltransfe rase المسمى بـ 15 .1 .3 .2 GPAT E" من الكانولا Brassica juncea. وأفادت تقنية الـ PCR في نقل وتأكيد اندماج الجين. ويفتح ذلك المجال لتطويع تركيب يحتوي ليبيدات النبات لإنتاج نباتات متحملة للحرارة Verma and Santha, 2003)) .
وجدير بالذكر، فإن دراسة التعبير الجيني ومعرفة التابعات الوراثية في أنواع المحاصيل الهامة مثل الذرة والقمح والأرز والسورجم ساعد في التعرف السريع على تركيب الجينات المختلفة بما في ذلك جينات المقاومة للإجهاد الحرارى. وبالطبع فإن البحث في قواعد البيانات المختلفة لدراسة هذه التتابعات لا يحتاج إلى تصريح وهو متاح للجميع كما أن وجود التتابع الكامل لجينوم نبات الأرابيدوبسيس والأرز قد ساعد في تقدير ومعرفة التتابعات المختلفة في قواعد البيانات.
فقد أستطاع الباحثون اليابانيون تطوير خريطة وراثية كبيرة للأرز تشمل معظم التتابعات الوراثية بما في ذلك الدنا المكمل (DNA).
ويجدر الإشارة إلى أن هناك هيئات علمية كبيرة بالولايات المتحدة مثل USDA SB, DOE, ساعدت على تدعيم ثلاث مجموعات علمية هناك للانضمام إلى هذا المشروع الدولي لدراسة جينوم الأرز. كما أن هناك شركات علمية مثل (Monsanto) Syngeta أعلنت حديثاً عن حصولها على النسخة الأولية من جينوم الأرز .
ولقد أشار Jeon وآخرون (2000) أن وجود الخرائط الوراثية والتتابعات الجينومية والنباتات الطائرة في الأرز قد جعلت منه نباتاً نموذجياً رائعاً لدراسة مقاومة الإجهاد الحراري. ونظراً للتشابه والقرابة الوراثية بين أفراد العائلة النجيلية، فسوف يساعد ذلك على نقل الجينات الوراثية بينها بسهولة باستخدام الهندسة الوراثية وبالتالي الحصول على محاصيل حبوب ذات مقاومة أعلى للإجهاد الحرارى.
3 - تقنية زراعة الأنسجة Tissue culture technology
أمكن في الآونة الأخيرة توظيف مزارع الأنسجة بنجاح في دراسة تحمل المحاصيل للإجهاد الحراري وإنتاج سلالات مقاومة للحرارة المرتفعة. فقد أمكن تحديد الاختلافات الوراثية في تحمل الحرارة على مستوى مزارع الخلايا وعلى مستوى النبات الكامل في ثلاث أصناف من القمح، عن طريق إخضاع معلق مزارع الخلايا لإجهاد حرارى 37 م لمدة 24 ساعة أو 50 م لمدة ساعة واستخدام مادة ،2 ، 3 ، 5 - ترای میثیل تترازولیم کلورید أو Fluorescein diacetate لاختبار حيوية الخلايا. حيث أعطى الاختبارين على مستوى مزارع الخلايا نتائج مماثلة للاستجابة على مستوى النبات الكامل. وأظهر تحليل بروتينات الصدمة الحرارية HSP في الصنفين 7532 ND و 101 TAM تخليق كمية كبيرة من بروتينات الصدمة الحرارية ذات الوزن الجزيئي 16 و 17 KDa مقارنة بالتركيب الوراثي الحساس عند 37 م لمدة 5 ساعات. هذا وقد أختلف تخليق بروتينات الصدمة الحرارية ذات الوزن الجزيئي 22 و 23 KDa باختلاف الأصناف ومعاملات الحرارة ( Wang and Nguyen, 1989) .
وقد قام Lashermes ومساعدوه (1991) بزراعة متوك ثماني هجن من قمح الخبز تحمل الكروموسوم 1B/ IR translocation لدراسة مدى translocation 1 /1/ لدراسة مدى الأقلمة لظروف الإجهاد البيئي. حيث أُخذت المتوك في مرحلة البلعمة Booting stage وعقمت سطحياً وزرع على بيئة مراشج وسكوج (MS) مضافاً إليها 2 ملليجرام لتر من D-2,4 تحت نظام حراری 23 م نهاراً و 17 م ليلاً بالتتابع مع °18 م نهاراً و 12م ليلاً. وأختبر إحلال المالتوز محل السكروز كمصدر للكربون في البيئة الغذائية. وقد أظهرت النتائج تباين استجابة هجن القمح لزراعة المتوك وأمكن الحصول على أعلى نسبة من النباتات المتجددة من التوليفات المحتوية على الكروموسوم 13 وتميز التركيب الوراثي x Very/ Sunbird Seri82 بقدرة عالية على الاستيلاد عند تنمية النباتات على درجة حرارة 12/18م م مع استخدام بيئة السكروز.
كما أفادت تقنية زراعة الأجنة في التعرف على سلالات القمح المتحملة لدرجة الحرارة العالية، حيث قام بركات وآخرون (2004) بدراسة تأثير درجة الحرارة العالية على الخلايا الناتجة من زراعة الأجنة الناضجة لأربعة أصناف من القمح هي سوهاج 1 ، جميزة 1 ، جيزة 167 ، وسخا 69 والتي عرضت الدرجة حرارة "35"م على فترات بهدف الانتخاب تحت معاملات الإجهاد الحراري الآتية:
H1 = المقارنة (2±25 م).
H2 = 10 ساعات تعريض مستمر على 35 م.
H3 = 3 ساعات تعريض في اليوم على 35 م بإجمالي 75 ساعة.
H4 = 3 ساعات تعريض في اليوم على 35 م بإجمالي 81 ساعة.
H5 = 3 ساعات تعريض في اليوم على 35 م بإجمالي 99 ساعة.
وأظهرت النتائج ما يلى :
1- تأثر وزن الكالوس معنوياً باختلاف التركيب الوراثي.
2- وجدت فروق عالية المعنوية في صفة الكالوس المكون للأجنة الجسمية وتكوين المجاميع الخضرية بين كل من التراكيب الوراثية والمعاملات الحرارية ( جدولي 2 و 3 ) وكان التفاعل بينهما غير معنوي.
3- أعطى الصنفان جميزة 1 وجيزة 167 أعلى نسبة مئوية من الكالون الجندي المتكون (32.49 %) و (32.39 %) ، على الترتيب خلال المعاملات الحرارية المختلفة، في حين أعطى الصنف سخا 69 أقل نسبة (11.47 %) ، كما أعطى الصنف جميزة 1 أعلى متوسط لتكوين المجاميع الخضرية (20.01 %) خلال المعاملات الحرارية، متفوقاً بذلك على جميع الأصناف .
جدول (2): متوسط صفات أصناف القمح علي مستوي In vitro
جدول (2) متوسط صفات الـ In vitro وتأثرها بمعاملات الإجهاد الحراري
H1 = المقارنة (25 ± 2 م ) .
H2 = 10 ساعات تعريض مستمر على 35 م.
3 = H3 ساعات تعريض في اليوم على 35 م بإجمالي 75 ساعة.
4H = 3 ساعات تعريض في اليوم على 35 م بإجمالي 81 ساعة.
= H5 3 ساعات تعريض في اليوم على 35 م بإجمالي 99 ساعة.
a: القيم ذات الحروف المتشابهة تشير إلى عدم وجود فروق معنوية (عن: 2004 ,.Barakat et al) .
