تولید گیاهان دابل هاپلویید و کاربرد آنها در اصلاح نباتات + مزایا و معایب آن

تولید گیاهان دابل هاپلویید و کاربرد آنها در اصلاح نباتات + مزایا و معایب آن

در این مقاله از دی مگ به تولید گیاهان دابل هاپلویید و کاربرد آنها در اصلاح نباتات + مزایا و معایب آن، تاریخچه تولید گیاه دابل هاپلویید، روش تولید گیاهان دابل هاپلویید و ژنتیک جمعیت گیاهان دابل هاپلویید می پردازیم. تا انتهای این مقاله همراه ما باشید.

گیاهان دابل هاپلویید

دابل هاپلویید ها یا هاپلویید های مضاعف (sDoubled Haploid) گیاهانی هستند که از یک دانه گرده به دست می آیند و به طور مصنوعی دو برابر می شوند تا دیپلوئیدهای هموزیگوت ایجاد کنند. در توضیح واضح تر هاپلوئید مضاعف به لاین دیپلوئیدی اطلاق می شود که با دو برابر کردن تعداد کروموزوم یک لاین هاپلویید با تیمار کلشیسین بدست می آیند. یک فرد دابل هاپلویید، دو همولوگ یکسان دارد. تولید مصنوعی هاپلوئیدهای مضاعف در اصلاح نباتات مهم است.

تولید گیاهان دابل هاپلوئید و کاربرد آنها در اصلاح نباتات + مزایا و معایب آن

سلول های هاپلویید از گرده یا سلول های تخم یا از سلول های دیگر گامتوفیت تولید می شوند، سپس با دو برابر شدن کروموزوم القایی یا خود به خود، یک سلول هاپلویید مضاعف تولید می شود که می تواند به یک گیاه هاپلوئید مضاعف تبدیل شود. اگر گیاه اصلی دیپلوئید بود، سلول‌های هاپلوئید مونوپلوئید هستند و ممکن است از اصطلاح مونوپلوئید مضاعف برای هاپلوئیدهای مضاعف استفاده شود. موجودات هاپلوئید مشتق شده از تتراپلوئیدها یا هگزاپلوئیدها را گاهی دی هاپلوئید می نامند. دی هاپلوئیدهای مضاعف به ترتیب تتراپلوئید یا هگزاپلوید هستند.

تاریخچه تولید گیاه دابل هاپلویید

اولین گزارش از گیاه هاپلویید توسط Blakeslee و همکاران در سال ۱۹۲۲ منتشر شد. پس از آن، هاپلویید در بسیاری از گونه های دیگر گزارش شد. گوها و ماهشواری در سال ۱۹۶۴ یک تکنیک کشت بساک را برای تولید هاپلوئیدها در آزمایشگاه توسعه دادند. تولید هاپلوئید با تلاقی گسترده در جو (کاشا و کائو، ۱۹۷۰) و تنباکو (برک و همکاران، ۱۹۷۹) گزارش شد. تنباکو، کلزا و جو پاسخگوترین گونه ها برای تولید هاپلوئید مضاعف هستند. روشهای هاپلویید مضاعف در حال حاضر برای بیش از ۲۵۰ گونه اعمال شده است.

روش تولید گیاهان دابل هاپلویید

گیاهان دابل هاپلویید را می توان در اندام گیاهی یا در شرایط آزمایشگاهی تولید کرد:

۱- جنین های هاپلویید در داخل اندام گیاهی به وسیله پارتنوژنز یا حذف کروموزوم پس از تلاقی گسترده تولید می شوند. سپس جنین هاپلویید نجات داده می شود، کشت می شود و با دو برابر شدن کروموزوم با تیمار کلشی سین، هاپلوییدهای مضاعف تولید می کند.

تکنیک تولید گیاهان دابل هاپلوئید

۲- روش‌های آزمایشگاهی شامل ژنوژنز (کشت تخمدان و گل) و آندروژنز (کشت بساک و میکروسپور) است. آندروژنز روش ارجح است.

ژنتیک جمعیت گیاهان دابل هاپلویید

در روش DH تنها دو نوع ژنوتیپ برای یک جفت آلل A و a با فراوانی ½ AA و ½ aa وجود دارد. در حالی که در روش دیپلوئید سه ژنوتیپ با فراوانی ¼ AA، ½ Aa، ¼ aa وجود دارد. بنابراین، اگر AA ژنوتیپ مطلوب باشد، احتمال به دست آوردن این ژنوتیپ در روش هاپلوئید بیشتر از روش دیپلوئید است. اگر n جایگاه جدا شونده، احتمال به دست آوردن ژنوتیپ مطلوب (۱/۲)n با روش هاپلوئید و (۱/۴)n با روش دیپلوئید است. از این رو کارایی روش هاپلوئید زمانی بالاست که تعداد ژن های مورد نظر زیاد باشد.

کاربرد گیاهان دابل هاپلویید در اصلاح نباتات

۱- نقشه برداری جایگاه صفات کمی

اکثر صفات اقتصادی توسط ژنهایی با اثرات کوچک اما تجمعی کنترل می شود. اگرچه پتانسیل جمعیتهای دابل هاپلویید در ژنتیک کمّی برای مدتی درک شده است، اما ظهور نقشه های نشانگر مولکولی بود که انگیزه ای برای استفاده از آنها در شناسایی جایگاه های کنترل کننده صفات کمی فراهم کرد.

از آنجایی که اثرات مکان های صفت کمّی (QTL) کوچک هستند و به شدت تحت تأثیر عوامل محیطی هستند، فنوتیپ دقیق با آزمایش های تکراری مورد نیاز است. این امر با ارگانیسم‌های هاپلوئیدی مضاعف امکان‌پذیر است. زیرا ماهیت زادآوری واقعی آنها وجود دارد و به راحتی می‌توان آنها را در تعداد زیاد تولید کرد.

۲- روش بک کراس

در روش بک کراس، ژن‌ها از یک رقم اهداکننده از گونه‌های مرتبط به یک لاین گیرنده از طریق بک کراس مکرر وارد می‌شوند. یک مشکل در این روش، شناسایی لاین حامل صفت مورد نظر در هر نسل است. اگر صفت مورد نظر مغلوب باشد، مشکل به ویژه حاد است. زیرا تنها در شرایط هتروزیگوت پس از هر بار تلاقی متقاطع وجود خواهد داشت.

۳- نقشه های ژنتیکی

نقشه های ژنتیکی برای درک ساختار و سازماندهی ژنوم ها که الگوهای تکاملی و روابط ترکیبی بین گونه ها را می توان استنتاج کرد، بسیار مهم است. نقشه‌های ژنتیکی همچنین چارچوبی برای نقشه‌برداری از ژن‌های مورد هدف و تخمین میزان تأثیرات آنها فراهم می‌ کنند و به درک ما از ارتباط ژنوتیپ/فنوتیپ کمک می‌ کنند. جمعیتهای دابل هاپلویید به منابع استاندارد در نقشه برداری ژنتیکی برای گونه هایی تبدیل شده اند که هاپلویید های مضاعف ها به راحتی در دسترس هستند. جمعیت هاپلوئید مضاعف برای نقشه برداری ژنتیکی ایده آل هستند.

۴- مطالعات ژنتیکی

نسبت های ژنتیکی و نرخ جهش را می توان مستقیماً از جمعیتهای هاپلوئید خواند. یک جمعیت هاپلوئید دو برابر شده کوچک (DH) برای نشان دادن اینکه یک ژن کوتاه مورد هدف در کروموزوم ۵H جو قرار دارد، استفاده شد. در مطالعه دیگری تفکیک طیف وسیعی از نشانگرها در جو توسط دابل هاپلویید ها تجزیه و تحلیل شده است.

۵- توسعه ارقام

یکنواختی یک نیاز عمومی لاین های کشت در اکثر گونه ها است که به راحتی از طریق تولید روش دابل هاپلوییدی بدست می آید. روش های مختلفی وجود دارد که در آنها می توان از دابل هاپلویید ها ها در تولید رقم استفاده کرد. لاین‌های دابل هاپلویید می‌توانند به‌ عنوان والدین در تولید ارقام هیبریدی یا به‌طور غیرمستقیم در ایجاد لاین های اصلاح‌کننده و حفاظت از ژرم پلاسم استفاده شوند. جو بیش از ۱۰۰ رقم دابل هاپلویید دارد. بر اساس اطلاعات منتشر شده در حال حاضر حدود ۳۰۰ رقم مشتق از دابل هاپلویید ها در ۱۲ گونه در سراسر جهان وجود دارد.

ارتباط دابل هاپلویید ها با اصلاح نباتات در سال های اخیر به دلیل توسعه پروتکل ها برای ۲۵ گونه به طور قابل توجهی افزایش یافته است. هاپلوئیدی مضاعف در حال حاضر نقش مهمی در تولید رقم هیبریدی سبزیجات دارد و پتانسیل تولید هاپلویید های مضاعف در گیاهان زینتی به شدت مورد بررسی قرار می گیرد. دابل هاپلویید ها همچنین در گیاه دارویی سنبل الطیب یا علف گربه (Valeriana officinalis) برای انتخاب لاین هایی با فعالیت دارویی بالا در حال توسعه هستند. پیشرفت جالب دیگر این است که لاین های دابل هاپلویید هموزیگوت بارور را می توان در گونه هایی تولید کرد که دارای سیستم های خود ناسازگاری هستند.

تولید گیاهان دابل هاپلویید و کاربرد آنها در اصلاح نباتات + مزایا و معایب آن

ویژگی های اصلی گیاهان دابل هاپلویید ها یا هاپلویید مضاعف چیست؟

• هاپلوئیدهای مضاعف به صورت DH نشان داده می شوند.
• هاپلوئیدهای مضاعف با دو برابر کردن تعداد کروموزوم هاپلوئیدها توسط کلشیسین ایجاد می شوند.
• دابل هاپلویید ها لاین های کاملاً هموزیگوت هستند.
• دابل هاپلویید ها را می توان هم در گونه های خود گرده افشانی و هم در گونه های دگر گرده افشانی تولید کرد.
• روش دابل هاپلویید اجازه می دهد تا گامت های نوترکیب را مستقیماً به عنوان لاین های هموزیگوت بارور ثابت کنیم.
• این یک روش سریع برای تولید لاین های خالص است. لاین های خالص را می توان از والد هتروزیگوت در یک نسل تولید کرد. توسعه لاین های خالص یا لاین های اینبرد با روش های مرسوم ۳-۵ سال طول می کشد.
• هاپلوئیدهای مضاعف را می توان پس از آزمایش به عنوان ارقام آزاد کرد یا می توان از آنها به عنوان والدین هیبرید استفاده کرد.
• روش هاپلوئید مضاعف زمان مورد نیاز برای توسعه و رهاسازی ارقام جدید را در مقایسه با روش‌های اصلاحی مرسوم ۵-۳ سال کاهش می‌دهد.
• هاپلوئیدهای مضاعف جمعیت های هموزیگوت و همگن هستند و از این رو تولید آنها بسیار یکنواخت است.
• هاپلوئیدهای مضاعف بدست آمده از لاین های نوترکیب عموماً به دلیل ترکیب ژن از دو منبع مختلف، پایگاه ژنتیکی وسیعی دارند.
• روش هاپلوئید مضاعف راه منحصر به فردی را برای تثبیت هیبرید یا هتروزیس در لاین های هموزیگوت باز می کند. که از تمام مشکلات مرتبط با تولید بذر هیبرید جلوگیری می کند. به عنوان مثال، از تلاقی بین ژنوتیپ های AAbb x aaBB می توانیم یک هاپلوئید با ژنوتیپ AB بدست آوریم که می تواند به عنوان هاپلوئید مضاعف (AABB) ثابت شود.

مزایای روش تولید گیاهان دابل هاپلویید

۱- روش سریع:

جشنواره پاییزه

جشنواره فروش بذر های خاص و کمیاب با بیش از ۱۲۰۰ رقم تنوع

همین الآن خرید کنید

این یک روش سریع برای توسعه لاین خالص در مقایسه با روش معمولی است. یک سال برای توسعه لاین خالص و ۲-۳ سال برای توسعه ارقام طول می کشد.

۲- رفع هتروزیس:

روش دابل هاپلویید اجازه تثبیت قدرت هیبریدی را می دهد. گامت های نوترکیب با اثرات هتروتیک را می توان با این روش تثبیت کرد. بنابراین روش دابل هاپلوید در حفظ هتروزیس مفید است.

۳- نقشه برداری ژن:

جمعیت دابل هاپلویید ها معمولاً برای نقشه برداری ژن استفاده می شود. مزیت استفاده از جمعیت دابل هاپلوئید ها در نقشه برداری مولکولی این است که همه افراد هموزیگوت هستند. بنابراین، دابل هاپلوئید ها ممکن است بین آزمایشگاه ها و محیط های مختلف برای ارزیابی اثر محیط بر بیان ژن منتقل شوند.

۴- شناسایی جهش یافته ها:

روش هاپلوئید مضاعف در شناسایی فوری جهش یافته های مغلوب بسیار مفید است. که با روش های مرسوم بسیار دشوار است.

۵- هموزیگوسیتی فوری:

روش دابل هاپلویید در به دست آوردن هموزیگوسیتی فوری مفید است و هموزیگوسیتی را می توان در یک مرحله به دست آورد.

۶- تولید ارقام یکنواخت:

ارقام هاپلوئید مضاعف هموزیگوت و همگن هستند، از این رو محصول آنها بسیار یکنواخت است.

معایب گیاهان دابل هاپلویید

1. عیب اصلی جمعیت DH این است که انتخاب را نمی توان به جمعیت تحمیل کرد. اما در روش متعارف، انتخاب را می توان برای چندین نسل انجام داد. در نتیجه می توان شخصیت های مطلوب را در جمعیت بهبود بخشید.
2. در هاپلوئیدهای تولید شده از کشت بساک مشاهده می شود که برخی از گیاهان آنئوپلوئید و برخی از انواع مخلوط هاپلوئید-دیپلوئید هستند.
3. یکی دیگر از معایب مرتبط با دابل هاپلویید ها، هزینه های مربوط به ایجاد کشت بافت و امکانات رشد است.
4. استفاده بیش از حد از هاپلوییدی مضاعف ممکن است تنوع ژنتیکی در ژرم پلاسم را کاهش دهد. از این رو قبل از بکارگیری هاپلوئیدی مضاعف در برنامه های اصلاحی باید چندین فاکتور را در نظر گرفت.
5. سخت تولید شدن دابل هاپلویید ها:

هاپلوییدهای مضاعف از هاپلوییدها ایجاد می شوند. بدست آوردن هاپلویید در همه محصولات زراعی سخت است و تولید هاپلوئیدها از محصولی به محصول دیگر متفاوت است. در برخی از محصولات مانند غلات می توان آنها را به راحتی به دست آورد، در حالی که در سایر محصولات به سختی به دست می آید.

۶- روش گران قیمت:

این یک روش گران قیمت برای توسعه لاین خالص است. هزینه این روش ۲-۳ برابر بیشتر از روش معمولی توسعه لاین خالص است. اما هزینه بالای این روش از نتایج بدست آمده جبران می شود. این روش به آزمایشگاه مجهز کشت بافت و نیروی انسانی آموزش دیده، نیاز دارد، زیرا هاپلوئیدها از کشت بساک یا تلاقی های بین گونه ای بدست می آیند.

منابع:

1. www.iaea.org
2. www.en.wikipedia.org
3. www.biologydiscussion.com

دکتر فاطمه سکه چی