مراحل اصلی اصلاح نباتات

مراحل اصلی اصلاح نباتات شامل شناسایی صفت، آزمایش واریته، تلاقی، رشد/انتخاب/ ذخیره و در نهایت رهاسازی است.

بدیهی است که ابتدا باید بدانیم چه گیاهی در حال اصلاح است، اما بعد از آن باید مشخص کرد که چه ویژگی هایی مانند رنگ، طعم، بافت، مقاومت در برابر آفات و غیره در حال اصلاح هستند. مهم این است که بیش از 5 یا 6 مورد را انتخاب نکنید. صفات برای اصلاح برای ماندگار نگه داشتن انتخاب.

صفاتی که با اصلاح محصول بهبود یافته اند عبارتند از: عملکرد (افزایش میزان کاشت ایمن در همان مقدار زمین)، مقاومت در برابر آفات و بیماری ها، سازگاری با تنش های محیطی مانند گرما، خشکسالی، یخبندان و خاک های شور، ارزش غذایی، سهولت برداشت، کارایی تکنیک های پرورش، طعم، رنگ و بافت، ایجاد انواع میوه ها و سبزیجات بدون دانه

پس از آن، انجام آزمایش‌های واریته با واریته‌های بالقوه قبل از تلاقی بسیار سودمند است. واریته‌ها بر اساس در دسترس بودن و ویژگی‌های بالقوه مفید انتخاب می‌شوند، اما همچنین باید در محیط محلی که در آن رشد می‌کنند آزمایش شوند تا اثربخشی و تنوع در بیان آن‌ها اندازه‌گیری شود.

رشد / انتخاب / ذخیره کردن: پس از شناسایی گیاهان مطلوب، می توان آنها را برای تولید نسل با ترکیبی از صفات مطلوب خود اصلاح نمود. این کار معمولاً از طریق گرده افشانی کنترل شده انجام می شود، جایی که گرده یک گیاه به گل های گیاه دیگر منتقل می شود. بسته به گیاه، این فرآیند متفاوت خواهد بود، اما هدف نهایی تولید فرزندان از واریته‌های والدینی با تنوع ژنتیکی خواهد بود. سپس فرزندان حاصل از فرآیند تلاقی رشد کرده و ارزیابی می شوند تا مشخص شود کدام گیاهان دارای صفات مورد نظر هستند. این می تواند شامل انجام آزمایشات مزرعه ای یا آزمایش های دیگر برای ارزیابی عملکرد گیاهان باشد. سپس گیاهانی که مطلوب ترین صفات را دارند برای اصلاح بیشتر انتخاب می شوند، زیرا فرآیند انتخاب انبوه مشخص می کند که کدام گیاهان برای پر کردن نسل بعدی مورد استفاده قرار خواهند گرفت. از اینجا، روند انتخاب انبوه، ذخیره بذر و رشد برای چندین نسل تکرار می شود تا زمانی که صفات همه فرزندان به طور یکنواخت قابل قبول باشد. در نهایت، واریته‌های گیاهی جدید به تعداد زیادی رشد می‌کنند تا به‌عنوان واریته جدید با ویژگی‌های برند عرضه شوند.

اصلاح سنتی در مقابل اصلاح مدرن:

سه دوره اصلی اصلاح نباتات را می توان شناسایی کرد: (1) اصلاح نباتات بر اساس انتخاب گونه های مشاهده شده، بدون توجه به منشاء آنها. (ب) تولید و انتخاب تنوع گسترش یافته توسط تلاقی کنترل شده. و (iii) نظارت بر وراثت تنوع درون ژنوم و انتخاب نوترکیب‌های خاص. چهارمین مرحله اصلاح نباتات را می توان ایجاد و معرفی تنوع جدید به ژنوم ها از طریق مهندسی ژنتیک دانست.

• الف) اصلاح نباتات بر پایه ی تنوع مشاهده شده

1- اهلی کردن گیاهان (منشاء گیاهان)

2- انتخاب شهودی توسط کشاورزان (منشاء نژادهای محلی : Landrace)

3- انتخاب لاین های خالص و انتخاب توده ای ( منشاء کولتیوارها)

• ب) اصلاح نباتات بر پایه ی تلاقی های کنترل شده

1- اصلاح شجره ای ( بازی با والدین)

2- اصلاح آیدوتایپ (بازی با صفات)

3- اصلاح جمعیت (بازی با تنوع ژنتیکی)

4- اصلاح هیبرید (بازی با هتروزسیس)

• ج) اصلاح نباتات بر پایه ی مونیتورینگ نوترکیبی

1- نقشه یابی ژنها مورد توجه ( یافتن سوزن در انبار کاه)

2- انتخاب بر پایه ی نشانگرها (MAS): ساخت ژنوتیپهای متناسب

3- انتخاب ژنوم: سرعت بخشیدن به پیشرفت ژنتیکی

الف) اصلاح نباتات بر پایه ی تنوع مشاهده شده

ابتدایی ترین شکل اصلاح نباتات انتخاب گونه های طبیعی در طبیعت و بعدها در مزارع کشت بود. تنوع ژنتیکی به طور مداوم تحت فشار انتخاب چرخه جمع آوری غذا یا کاشت - برداشت قرار می گیرد. در برخی موارد، این فرآیند منجر به تغییرات عمیق در فنوتیپ‌های گیاهی می‌شود که نمونه آن استخراج ذرت از تئوسینت است. این مرحله اولیه اصلاح نباتات از زمان پیدایش کشاورزی تا اولین آزمایش های هیبریداسیون که توسط کلروتر در دهه 1760 انجام شد را در بر می گیرد. با کشف قوانین وراثت، در نوبت از قرن 19 به قرن 20، اهمیت هیبریداسیون در اصلاح گیاهان به طور گسترده ای شناخته شد. امروزه تقریباً تمام برنامه‌های اصلاح نباتات شامل استفاده از هیبریداسیون است.

1- اهلی کردن گیاهان (منشاء گیاهان)

برای یک ژن معین، جهش‌ها رویدادهای نادری هستند، اما با توجه به تعداد زیاد گیاهان در یک مزرعه و ژن‌های موجود در یک گیاه، جهش‌ها رویدادهای بسیار مکرر در یک جمعیت هستند. بیشتر جهش‌ها برای بقا در طبیعت نامطلوب هستند و در چند نسل در نتیجه انتخاب طبیعی از جمعیت حذف می‌شوند. با این حال، برخی از این جهش ها ممکن است منجر به فنوتیپ های مطلوب تری از نظر کشت یا از نظر کیفیت غذا شود. برخی از آن جهش‌یافته‌ها توسط کشاورزان باستانی نجات یافتند، که از آنها در برابر رقابت محافظت کردند و با گیاهانی که در غیر این صورت ناتوان بودند رابطه همزیستی برقرار کردند. برخلاف زیستگاه‌های وحشی، مزارع کشت‌شده محیط‌هایی بودند که در آن جهش‌ها مزیت انتخابی ایجاد می‌کردند، بنابراین از طریق انتخاب انسان به نوع غالب تبدیل شدند. تجمع این نوع جهش عامل اصلی سندرم اهلی‌سازی است، مجموعه‌ای از ویژگی‌ها که بسیاری از گونه‌های کشت‌شده را برای بقای خود به طور غیرقابل برگشتی به انسان وابسته می‌کند.
تنوع مولکولی در گیاهان اهلی کمتر از گونه‌های وحشی مرتبط است، به عنوان یک نتیجه از اثر بنیان‌گذار در طول اهلی‌سازی. با انتخاب شدید گیاهان جهش یافته نادر سازگار با کشت، کشاورزان اولیه بیشتر تنوع موجود در جمعیت‌های وحشی را که اشکال کشت شده از آن‌ها به وجود آمدند، حذف کردند. اکنون مشخص شده است که بسیاری از ژن‌های ارزشمند، به‌ویژه آن‌هایی که مربوط به مقاومت در برابر آفات هستند، از مخزن ژنی کشت‌شده کنار گذاشته شده‌اند. ترکیب آن ژنها در ارقام مدرن، بدون از دست دادن ز

مین از نظر عملکرد و کیفیت محصول، یکی از چالش های اصلاح نباتات مدرن و یکی از مرتبط ترین کاربردهای ابزار مولکولی در برنامه های اصلاحی است.

2- انتخاب شهودی توسط کشاورزان (منشاء نژادهای بومی: Landrace)

نژادهای بومی جمعیت‌هایی از گیاهان هستند که برای نسل‌های زیادی در یک منطقه خاص کشت شده‌اند و تحت تأثیر تنش‌های زیستی و غیرزیستی، مدیریت محصول، نگهداری بذر و ترجیحات غذایی شکل می‌گیرند. آنها موجودات ژنتیکی پویا هستند: به طور مداوم در نتیجه انتخاب عمدی و غیرعمدی، مخلوط بذر و تبادل گرده در حال تغییر هستند. نژادهای بومی با تعادل بین انتخاب تثبیت کننده، که هویت نژاد بومی را در یک منطقه معین حفظ می کند، و انتخاب جهت ملایم شکل می گیرند که منجر به تعدیل آهسته تغییرات محیطی می شود. در برخی موارد، تغییرات سریع ممکن است رخ دهد، به خصوص زمانی که نژاد بومی به منطقه دیگری منتقل می شود یا زمانی که مواد جدید در نزدیکی بومی اصلی کشت می شوند. اگر تولید بذر تایید شده متوقف شود و بذرهای ذخیره شده توسط کشاورز به طور مکرر، بدون مراقبت برای جداسازی در برابر آلودگی بذر یا گرده، کاشته شوند، امروزه هنوز هم می توانند از ارقام مدرن مشتق شوند.
ویژگی‌های اصلی نژادهای بومی عبارتند از (1) سطوح بالای تنوع ژنتیکی در جمعیت‌ها، که با طیف محدودی از تنوع بین افراد مشخص می‌شود، با ویژگی‌های متمایزی که نژاد بومی را قابل شناسایی می‌کند. (2) سازگاری با شرایط خاک و آب و هوای معمول منطقه، همراه با مقاومت در برابر آفات رایج؛ (3) بخش‌های خوراکی که توسط مردم محلی ارزشمند هستند و معمولاً توسط غذاهای محلی شکل می‌گیرند. و (4) عملکرد متوسط اما پایدار، امنیت غذایی به جامعه محلی تحت تغییرات طبیعی محیطی اعطا می کند.
انتخاب شهودی کشاورز این مزیت را دارد که تنوع را برای محیط واقعی و خاص مورد استفاده و ترجیحات غذایی محلی شکل می‌دهد، که به خوبی در مورد کشاورزی معیشتی (Subsistence agriculture)، جایی که بیشتر تولید به صورت محلی مصرف می‌شود، خدمت می‌کند. با این حال، هنگامی که کشاورزان برای یک صفت انتخاب می کنند، همبستگی ژنتیکی ممکن است منجر به تغییرات نامطلوب در سایر صفات شود. به عنوان مثال، توده‌های غلات معمولاً گیاهان بلندی هستند، مستعد ورس (Lodging) و نشان دادن شاخص برداشت پایین، که دلیل احتمالی آن نتیجه ی انتخاب انسان برای قسمت‌های خوراکی بزرگ ( خوشه، بلال، خوشه) است.
با این وجود، نژادهای بومی به دلیل تنوع ژنتیکی و سازگاری با محیط‌های مختلف، ارزشمندترین منابع ژنتیکی برای برنامه‌های بلندمدت اصلاح نباتات و همچنین اهداف اصلی برای تهیه ی مجموعه‌های ژرم پلاسم هستند. بانک های بذر در سراسر جهان هزاران نمونه از نژادهای بومی را تحت حفاظت "ex situ" نگهداری می کنند. در برخی کشورها، تلاش‌هایی برای ابداع مکانیسم‌های نظارتی و مشوق‌های مالی برای جوامع سنتی وجود دارد تا به رشد انواع میراث خود ادامه دهند، و هدف آن حفاظت «in situ» است. سیستم‌های جدیدی برای حفاظت از ژرم پلاسم در شبکه‌های اجتماعی ساخته شده‌اند که افراد علاقه‌مند به این موضوع را به عنوان یک سرگرمی به یکدیگر متصل می‌کنند (مانند seedsavers.org). این شبکه ها از ابزارهای ارتباطی مدرن بهره می برند تا آنچه را که قبلاً از طریق تماس شخصی در جوامع سنتی اتفاق می افتاد در مقیاس جهانی تکرار کنند.
با وجود این، بخش بزرگی از تنوعی که زمانی در مزارع کشت گیاهان یکساله وجود داشت، ممکن است در طی معرفی ارقام مدرن و پرمحصول به طور غیر قابل برگشتی از بین رفته باشد. از این نظر، همان ارقام مدرنی که میلیون‌ها نفر را از گرسنگی نجات دادند، ممکن است گونه‌هایی را که حاصل قرن‌ها انتخاب شهودی محلی توسط کشاورزان و منبع ارزشمندی برای بهبود ژنتیکی آینده بودند، از بین ببرند.

3- انتخاب لاین های خالص و انتخاب توده ای ( منشاء کولتیوارها)

اولین روش اصلاح نباتات مبتنی بر دانش ابتدایی قوانین وراثت، انتخاب گیاهان در داخل نژادهای بومی بوده است، بر اساس این فرض که انتظار می رود نتاج بهترین افراد نسبت به نسلی که از آن نمونه تصادفی انتخاب شده، برتری داشته باشند. جمعیت این روش به طور رسمی توسط لوئیس دو ویلمورین در سال 1856 پیشنهاد شد، اگرچه اشاره هایی به استفاده از اصول آن توسط برخی کشاورزان در اوایل قرن 19 وجود دارد. این درک را می توان منشأ الگوی همگنی دانست که تا به امروز بر اصلاح نژاد و کشاورزی در کل حاکم است. از این نقطه به بعد، ناهمگونی درون مزرعه ای نامطلوب در نظر گرفته شد و هم اصلاح نباتات و هم زراعت روش هایی را برای دستیابی به حداکثر همگنی فضایی (به عنوان مثال، "کشاورزی دقیق"؛ Precision agriculture) توسعه دادند.
در گونه های خود گرده افشان مانند برنج و گندم، نژادهای بومی را می توان مخلوطی از لاینهای خالص در نظر گرفت، از جمله برخی افراد هتروزیگوت که از فرکانس پایین دگر گرده افشانی به دست می آیند. در این نوع جمعیت، انتخاب گیاهان منفرد و مشتق کردن نتاج اینبرد همواره منجر به ایجاد برخی از لاین‌هایی می‌شود که در شرایط رشد معین از نژاد اصلی بهتر عمل می‌کنند. با این حال، این برتری هزینه دارد، زیرا خطوط خالص معمولاً نسبت به جمعیت‌های متنوع در مواجهه با استرس‌ها، به‌ویژه بیماری‌ها، پایداری کمتری دارند و ظرفیت سازگاری طولانی‌مدت را ندارند، زیرا برای اکثر ژن‌ها یک شکل هستند.
در مورد گونه‌های با گرده‌افشانی باز، مانند ذرت، نژادهای بومی جمعیت‌هایی از افراد حاصل از جفت‌گیری تصادفی هستند که تقریباً تعادل هاردی-واینبرگ (HWE) را با برخی انحرافات به دلیل انتخاب خفیف تشکیل می‌دهند. انتخاب انبوه و بازترکیب بخشی از جمعیت با عملکرد برتر منجر به افزایش تدریجی فراوانی آلل‌های مطلوب می‌شود. نسل‌های متوالی انتخاب در نژادهای بومی ذرت منجر به بهبود واریته‌های گرده‌افشانی شده شد که تا ظهور ذرت هیبریدی اساس تولید ذرت بود.

ب) اصلاح نباتات بر پایه ی تلاقی های کنترل شده

علیرغم تنوع خود به خودی بزرگی که می توان در نژادهای بومی یافت، به کارگیری ساده انتخاب بر روی تنوع موجود، یک فرآیند فرسایشی است که در نهایت به محدودیت می رسد. قدرت خلاق واقعی اصلاح نباتات در ترویج نوترکیبی برای به هم زدن آلل های مطلوب است. ترکیب آلل های مختلف در بسیاری از جایگاه ها منجر به تعداد بی نهایت ژنوتیپ می شود. می توان یک برنامه اصلاح نژاد تجاری را از ده ها والدین بنیانگذار و سازگار با تمرکز واضح بر یک محیط هدف خاص و ارزیابی نتاج حجیم در حال تفرق آغاز کرد. تزریق تنوع جدید ممکن است در مورد تغییر قابل توجه محیط هدف، مانند ظهور آفات جدید که مواد پایه‌دهنده مقاومتی برای آنها نداشتند، ضروری باشد.
با توجه به تعداد بی‌شماری از ژنوتیپ‌های احتمالی ناشی از تلاقی والدین متنوع، محدودیت برای دستاوردهای ژنتیکی به ظرفیت برنامه اصلاحی برای ارزیابی تعداد زیادی از گیاهان، حاصل از تعداد زیادی تلاقی تبدیل می‌شود. به همین دلیل، اصلاح نباتات اغلب بازی اعداد نامیده می‌شود و برنامه‌های رقابتی بزرگ در کالاها سرمایه‌گذاری زیادی بر روی روش‌های بازده بالا برای جابجایی، کاشت، ارزیابی و برداشت بذر می‌کنند. با انباشته شدن دستاوردهای ژنتیکی، این نوار به تدریج بالا می رود و سرمایه گذاری های فزاینده ای بیشتری برای حفظ نرخ ثابت پیشرفت ژنتیکی مورد نیاز است. حد این تشدید، قابلیت مالی بازده در بازار بذر و تجارت مرتبط است. روشهای اصلی توسعه یافته برای استفاده کارآمد از منابع در برنامه های اصلاحی در ادامه مورد بحث قرار می گیرد.

1- اصلاح شجره ای ( بازی با والدین)

اکثریت قریب به اتفاق ارقام آزاد سازی شده از گونه های خود گرده افشان از طریق روش شجره ای توسعه یافته اند. اصلاح شجره شامل تلاقی والدین و تولید جمعیت هایتفرق یافته است که از طریق نسل های خود گرده افشانی و انتخاب انجام می شود تا زمانی که مجموعه ای از لاین مشتق شده که ویژگی های خوب هر دو والدین را ترکیب می کند به دست آید. از آنجایی که این روش مبتنی بر تکمیل صفات است، این روش برای اصلاح صفات کیفی مانند مقاومت به بیماری یا صفات به راحتی قابل طبقه بندی مانند معماری گیاه یا رنگ یا شکل اجزای گیاه کارآمد است. روش شجره نامه برایاصلاح کنندگان جذاب است زیرا امکان ساخت واریته های بهتر را با کنار هم قرار دادن صفات خوب موجود در مواد مختلف در یک گیاه فراهم می کند. از آنجایی که تمام تلاقی ها کنترل شده است، می توان از شجره نامه هر رقم مطلع شد.
ضعف اصلی روش شجره نامه در این واقعیت است که عملکرد تنها در پایان فرآیند، در لاین های اینبرد، زمانی که بذر برای آزمایش های تکراری در دسترس است، به طور موثر ارزیابی می شود. اگرچه در این مرحله، مگر اینکه تعداد زیادی از لاینها پیشرفت کرده باشند، فضای کمی برای بهبود پتانسیل بازده وجود دارد. در نتیجه، نرخ پیشرفت عملکرد حاصل از روش شجره نامه معمولاً متوسط است و به ندرت از 1٪ در سال تجاوز می کند.

2- اصلاح آیدوتایپ (بازی با صفات)

رویکرد اصلاح ایدئوتیپ (Ideotype breeding) را می توان به عنوان یک استراتژی برای بهبود ظرفیت روش شجره نامه در جهت ارتقاء سود برای صفات کمی، به ویژه عملکرد در نظر گرفت. بر اساس این فرضیه است که می توان صفات پیچیده را با تغییر صفات ساده تر که همبستگی مثبت با آنها دارند، بهبود بخشید. مزیت این روش این است که در صورت صحت فرضیه زیربنایی، می توان سود قابل توجهی را برای عملکرد، حتی با یک برنامه اصلاحی کوچک، با اتخاذ رویکرد "هوشمندانه"، بر خلاف رویکرد "بازی اعداد" افزایش داد. برنامه های اصلاحی در مقیاس بزرگ علاوه بر این، از نظر علمی برای اصلاح کنندگان جذاب است، زیرا آنها شانس تغییر الگوها (paradigms) در محصول مورد علاقه خود را دارند. با این حال، مهم است که به خاطر داشته باشید که همبستگی‌های ژنتیکی نامطلوب می‌تواند مزیت‌های حاصل از صفات تشکیل‌دهنده ایدئوتیپ را جبران کند.
تغییر ایدئوتیپ یک محصول اغلب مستلزم جستجوی تغییرات فراتر از مرزهای ژرم پلاسم الیت (elit) است که معمولاً از نوع گیاخان فعلی است. با این حال، استفاده از نژادهای بومی به عنوان والدین در برنامه های اصلاحی معمولاً منجر به کاهش قابل توجه عملکرد می شود. به همین دلیل، بک کراس به سمت مواد الیت برای بازیابی نتاج رقابتی ضروری است. اگر دهنده صفت جدید یک خویشاوند وحشی باشد، مشکلات سازگاری جنسی، عقیمی گل، کیفیت دانه یا پراکندگی دانه (یعنی خرد شدن دانه) ممکن است برای چندین نسل باقی بماند.
برای جلوگیری از اثرات نامطلوب ورود مستقیم مواد عجیب و غریب به جمعیت‌های اصلاح‌کننده الیت، این مواد معمولاً ابتدا در مرحله پیش‌زادآوری (prebreeding) استفاده می‌شوند، زمانی که اصلاح‌کنندگان سعی می‌کنند ارتباط بین صفات مفید و نامطلوب را از بین ببرند. هنگامی که صفت جدید مورد نیاز برای جمع آوری ایدئوتیپ در یک پس زمینه الیت درج شد، آن لاینهای انتقالی را می توان به برنامه پرورش الیت منتقل کرد.

3- اصلاح جمعیت (بازی با تنوع ژنتیکی)

اگرچه همه روش‌های اصلاحی بر اعمال فشار انتخاب بر روی یک جمعیت متغیر دلالت می‌کنند، اما اصطلاح «اصلاح جمعیت» (population breeding) روشی را نشان می‌دهد که برای بهبود عملکرد فنوتیپی یک جمعیت در هم آمیخته با افزایش فراوانی آلل‌های مطلوب کنترل کننده ی صفات مورد توجه طراحی شده است. ساده ترین نسخه اصلاح جمعیت، روش انتخابتوده ای است که برای گونه های دگر گرده افشان اعمال می شود، که در آن جمعیت بهبود یافته به طور مستقیم به عنوان یک رقم استفاده می شود. بعدها، طرح های پیچیده تری برای اصلاح جمعیت طراحی شده است که چارچوبی را برای توسعه نظریه ژنتیک کمی فراهم می کند. در اصلاح جمعیت مدرن، هدف افزایش ارزش جمعیت به عنوان منبعی از لاین های الیت است. بهبود میانگین کیفیت جمعیت، در عین حفظ تنوع در آن، منجر به ایجاد افراد برتر می شود که از لاین قبلی بهتر عمل می کنند. این لاین ها را می توان به عنوان ارقام در مورد گونه های خودگرده افشان یا به عنوان والدین هیبریدها در مورد گونه های دگرگرده افشان استفاده کرد.
اصلاح جمعیت یک طرح باز از دورهای متوالی انتخاب و نوترکیبی است، بنابراین به عنوان اصلاح انتخاب دوره ای (recurrent selection breeding) نیز شناخته می شود. انتخاب دوره ای نیاز به یک سیستم تلاقی کارآمد دارد که می تواند محدودیتی برای گونه های خود گرده افشان باشد. این طرح، هنگامی که به طور مکرر بر روی جمعیت های کوچک اعمال می شود، منجر به کاهش تنوع ژنتیکی و کاهش دستاوردهای ژنتیکی می شود. به همین دلیل، یک جمعیت موثر بزرگ باید در سراسر جهان حفظ شود، در غیر این صورت رانش ژنتیکی بر سایر نیروهایی که بر جمعیت اثر می‌گذارند، غلبه می‌کند و مانع پیشرفت ژنتیکی می‌شود.
با این حال، حتی اندازه متوسط جمعیت (به عنوان مثال، 50 گیاه) برای جلوگیری از کاهش سریع تنوع ژنتیکی کافی است. این احتمالاً به دلیل این واقعیت است که در حالی که انتخاب منجر به از بین رفتن تنوع در برخی از ژن ها می شود، نوترکیبی بلوک های لینکاژی را به قطعات کوچکتر می شکند و امکان ترکیب ژن های بسیار بیشتری را نسبت به قطعات بزرگ DNA فراهم می کند. این پدیده تغییرات پنهان را در نسل‌های بعدی در فرآیند انتخاب مکرر آزاد می‌کند و از دست دادن تنوع ناشی از انتخاب را جبران می‌کند.
اصلاحگران با تلاقی چندین لاین که به عنوان منابع آلل های مطلوب برای یک یا چند صفت انتخاب می شوند، جمعیت های جدیدی ایجاد می کنند. این جمعیت‌های مصنوعی تحت انتخاب مکرر، رویدادهای ژنتیکی را تقلید می‌کنند که قبلاً در نژادهای بومی در دست کشاورزان سنتی رخ می‌داد، با این تفاوت که کل فرآیند نظارت و کنترل می‌شود و فشار انتخاب برای دستیابی سریع‌تر تشدید می‌شود. نرخ بهره ژنتیکی در واحد زمان را می توان با سرعت بخشیدن به چرخه های انتخاب-نوترکیب، با تشدید فشار انتخاب، با بهبود دقت ارزیابی (در نتیجه افزایش وراثت پذیری)، یا با هر ترکیبی از آنها افزایش داد.
طرح کلی اصلاح جمعیت بسیار منعطف است و امکان سفارشی سازی برای نیازها و اهداف خاص گونه های مختلف و برنامه های اصلاحی را فراهم می کند. این سیستم را می‌توان برای نتایج سریع و کوتاه‌مدت، معمولاً با اعمال فشار انتخاب قوی بر روی جمعیت‌های مبتنی بر پایه ی ژنتیکی محدود، یا برای نتایج پایدار و طولانی‌مدت، با اعمال فشار انتخاب متوسط بر روی جمعیت‌های مبتنی بر پایه ی ژنتیکی گسترده، قالب‌بندی کرد. اصلاح جمعیت همچنین می تواند به عنوان یک طرح پیش از اصلاح (Prebreeding) مورد استفاده قرار گیرد، زیرا رویدادهای متقابل دوره ای آن باعث ایجاد نوترکیبی بین ژنوم های بیگانه (exotic) و الیت می شود و ژن های بیگانه نامطلوب را از جمعیت پاک می کند.

4- اصلاح هیبرید (بازی با هتروزسیس)

هتروزیس برتری افراد هیبرید نسبت به افراد اینبرد است. در حدود معینی، هر چه والدین واگراتر باشند، هتروزیس در فرزندان آنها بیشتر است. بنیه هیبرید به سرعت در طول نسل های اینبرد کاهش می یابد، که نشان می دهد، مکانیسم اصلی هتروزیس هر چه باشد، به دلیل وجود جایگاه های هتروزیگوت است. به همین دلیل، امروزه برنامه های پرورش ذرت بر روی توسعه هیبریدهای رقابتی F1 متمرکز شده است که در آنها هتروزیگوز در حداکثر مقدار خود است.
دو چالش در برنامه های اصلاح نژاد هیبرید وجود دارد: (1) نیاز به بهبود حداقل دو جمعیت به سمت سازگاری زراعی، در حالی که فاصله ژنتیکی آنها به اندازه کافی برای بیان هتروزیس قوی است، و (2) توسعه تولید کارآمد بذر هیبریدهای منتخب، به طوری که هزینه تولید بذر ارزش عملکرد اضافی ناشی از هتروزیس را جبران نمی کند. در ذرت، اولین مشکل به مفهوم گروه‌های هتروتیک منجر شد، که مخزن ژن الیت را به زیرمجموعه‌هایی تقسیم کرد، که در آن اصلاح جمعیت اعمال می‌شود. مشکل دوم با بهبود لاین‌های والدینی که منجر به عملکرد بیشتر در مزارع تولید بذر شد و با استفاده از ژن‌های نر عقیمی و اخته کردن مکانیکی ("detasselling") برای جلوگیری از خود گرده افشان حل شد.
از سوی دیگر، هیبریدها از منظر تجاری مزایای زیادی دارند. بذرهای تولید شده توسط گیاهان هیبرید به دلیل تفکیک هزاران ژن از نظر ژنتیکی ناهمگن هستند. در صورت کاشت، محصول حاصل تنوع زیادی در صفات زراعی، معماری گیاه و طول چرخه ایجاد می کند و در نتیجه عملکرد و کیفیت دانه کاهش می یابد. از این رو، کشاورزان باید هر سال بذرهای جدید بخرند و در نتیجه تقاضای دائمی برای بذر هیبریدی وجود دارد. علاوه بر این، با ظهور تراریخته ها، دانه های هیبریدی به حامل های ترجیحی آن صفات اختصاصی ارزشمند تبدیل شدند، زیرا امکان کنترل بهتر رویداد توسط مالک را فراهم می کنند.

ج) اصلاح نباتات بر پایه ی مونیتورینگ نوترکیبی

روش های پرورش سنتی بر اساس مکمل بودن بین ویژگی های والدین بود. با این حال، اطلاعات کمی در مورد اینکه کدام بخش از ژنوم از هر یک از والدین گرفته شده است، وجود نداشت. این وضعیت با ظهور و انتشار فناوری‌های نشانگر مولکولی تغییر کرد که امکان نظارت بر انتقال بخش‌های کروموزوم در نتاج را فراهم کرد.
تقریباً از هر گونه تغییر در توالی بین افراد می توان برای طراحی نشانگری استفاده کرد که امکان شناسایی والدینی را که در بخش خاصی از کروموزوم در یک لاین نوترکیب نقش داشته است، می دهد. تا همین اواخر، محبوب ترین نشانگرها تکرارهای توالی ساده (SSR) بودند که به عنوان ریزماهواره ها نیز شناخته می شدند. این نشانگرها توسط پلی‌مورفیسم‌های تک نوکلئوتیدی (SNPs) جایگزین شدند که در ژنوم فراوان‌تر هستند و بیشتر در معرض ژنوتیپ‌سازی با توان عملیاتی بالا هستند.
نشانگرهای مولکولی ابزارهای ضروری برای مطالعه کنترل ژنتیکی هر صفت مورد علاقه هستند که در نهایت منجر به شناسایی ژن‌های زیربنایی این صفت و زنجیره‌های متابولیکی درگیر می‌شوند. این مکان را می توان به طور گسترده به عنوان زیست شناسی مولکولی تعریف کرد که در دهه های گذشته بر حوزه علوم زیستی تسلط داشت.

1- نقشه یابی ژنها مورد توجه ( یافتن سوزن در انبار کاه)

هنگامی که بسیاری از نشانگرهای مولکولی در مجموعه ای از گیاهان به دست آمده از یک تلاقی منفرد ژنوتایپینگ می شوند، می توان از فراوانی نوترکیبی بین آنها برای استنباط ترتیب و فاصله نسبی آنها در کروموزوم ها استفاده کرد و در نتیجه یک نقشه ژنتیکی به دست آمد. اگر آن گیاهان یا نتاج آنها برای یک صفت کمی ارزیابی شوند، می توان یک مدل آماری ایجاد کرد که در آن بخشی از واریانس فنوتیپی را می توان با برخی از نشانگرها توضیح داد، که به این معنی است که آن نشانگرها باید به ژن های زیربنایی مرتبط باشند. صفت این رویکرد منجر به نقشه‌های مکان صفت کمی (QTL) می‌شود که معمولاً اولین گام به سمت درک کنترل ژنتیکی یک صفت کمی است. از نقشه QTL، یک اصلاحگران گیاه می تواند بینشی در مورد تعداد جایگاه های کنترل کننده یک صفت، اهمیت نسبی آنها و موقعیت تقریبی آنها در ژنوم بدست آورد. در مورد QTLهای با جلوه بزرگ، ممکن است با استفاده از نزدیکترین نشانگرهای موجود در نقشه، مستقیماً به انتخاب به کمک نشانگر بروید. با این حال، در بیشتر موارد، یک مرحله از نقشه برداری دقیق، شامل جمعیت بزرگتر و فاصله نشانگر متراکم تر در ناحیه ژنومی هدف، برای توسعه ابزارهای انتخاب مفید ضروری است. نتیجه نهایی این رویکرد، شناسایی ژن و پلی مورفیسم در توالی نوکلئوتیدی آن است که مسئول تفاوت‌های فنوتیپی مشاهده‌شده است.
رویکرد نقشه برداری QTL برای توضیح تضاد بین دو والدین موثر است، اما برای بررسی تنوع ژنتیکی گسترده تر برای یک صفت در ژرم پلاسم ناکارآمد است. رویکرد نقشه برداری ارتباطی (association mapping) میانبری در این مسیر ارائه می دهد و به همین دلیل جذابیت زیادی برای اصلاحگران دارد. در این رویکرد، پانلی از لاینهای ژنتیکی متنوع به طور متراکم ژنوتایپینگ شده و به دقت برای یک ویژگی فنوتیپی ارزیابی می شود، با هدف شناسایی ارتباط بین آلل های نشانگر و صفات. از آنجایی که فاصله شجره نامه ای بین مواد در پانل زیاد است، این ارتباط تنها در صورتی قابل توجه خواهد بود که نشانگر به طور محکم با ژن عامل پیوسته باشد یا اگر عوامل مرتبط با ژنتیک جمعیت (ساختار جمعیت) بین جایگاه های غیر مرتبط ارتباط ایجاد کند. در مورد دوم، برآورد ساختار جمعیت و در نظر گرفتن صریح آن در مدل آماری می‌تواند از تشخیص تداعی‌های نادرست جلوگیری کند. هنگامی که به درستی اعمال شود، تجزیه و تحلیل ارتباط می تواند منجر به تشخیص نواحی ژنومی مربوط به صفت مورد نظر و به طور همزمان، در شناسایی لاینهای اهداکننده آلل های مطلوب از یک ژرم پلاسم گسترده تر شود.
بانک های ژن هزاران توده را در خود جای داده اند که به طور بالقوه برای اصلاح نباتات مفید هستند. این الحاق ها شامل اقوام محصولات وحشی و توده های منسوخ شده (obsolete landraces) است. اگرچه ارزش زراعی ضعیفی در مقایسه با ارقام مدرن دارند، اما اعتقاد بر این است که این مواد دارای ژن‌های مفیدی هستند که از گونه‌های وحشی در فرآیند اهلی‌سازی یا از نژادهای بومی در مراحل اولیه اصلاح علمی گرفته نشده‌اند. نجات آن ژن‌های مفیدی که «رها شده‌اند» (left behind) کار دشواری است، زیرا ژن‌های مورد نظر ممکن است به‌طور محکم با ژن‌های نامطلوب پیوسته باشند، که به جمعیت در حال اصلاح کشیده می‌شوند. درک تنوع ژنتیکی در مجموعه های ژرم پلاسم اولین گام به سمت استفاده بهتر از یک مخزن ژنی گسترده تر در برنامه های اصلاحی است. تلاقی برگشتی به کمک نشانگر امکان شناسایی نوترکیب‌های نادر در مجاورت ژن معرفی‌شده و ویرایش آن بخش از کروموزوم را تا حد ممکن نزدیک به ژن هدف را فراهم می‌کند. علاوه بر این، با شناسایی افراد دارای تمیزترین ژنوم (با کمترین باقیمانده از والد اهداکننده)، می توان تعداد دفعات تلاقی برگشتی مورد نیاز برای بازیابی کامل فنوتیپ الیت را کاهش داد.
مجموعه‌ای از لاینهای با قطعات کوروموزمی جایگزین شده (کتابخانه‌های CSSL: chromosome segment substitution lines ) مجموعه‌ای از لاینهای مشتق‌شده از یک تنوع الیت هستند که در آن هر لاین دارای یک بخش از کروموزوم است که با بخش مربوطه در گونه‌های وحشی مورد علاقه جایگزین می‌شود. کتابخانه CSSL خرد شده ی کل ژنوم خویشاوند وحشی را در انبارها حمل می کند. اثر فنوتیپی مجموعه‌ای از ژن‌ها در هر انبار را می‌توان در برابر لاین الیت اصلی که به عنوان یک بررسی استفاده می‌شود، ارزیابی کرد. این ذخایر ژنتیکی می‌توانند شناسایی و ورود ژن‌ها از خویشاوندان وحشی به ژرم پلاسم الیت را تسهیل کنند. CSSL های برتر را می توان برای نقشه برداری دقیق و توسعه همزمان یک نسخه بهبود یافته از انواع الیتها استفاده کرد.

2- انتخاب بر پایه ی نشانگرها (MAS): ساخت ژنوتیپهای متناسب

در حالی که در مورد ورود ژن به کمک نشانگر،اصلاحگران به طور معمول تنها یک ژن را برچسب گذاری می کند، یک طرح انتخابی با کمک نشانگر با ویژگی های کامل، چندین ژن را به طور همزمان بررسی می کند. آگاهی از آلل حامل هر گیاه در هر مکان اصلی مورد علاقه، ابزاری را برای ساخت ترکیبات آللی خاص ایجاد می کند که ارزش زراعی لاین را به حداکثر می رساند. با این حال، هنگامی که با چندین ژن سروکار داریم، مهم است که در نظر داشته باشیم که تعامل بین ژن ها (اثر اپیستاتیک) و نه تنها اثرات افزایشی ژن ها، بیان یک صفت را مشخص می کند.
یک کاربرد معمولی از انتخاب به کمک نشانگر، هرم سازی ژن مقاومت (resistance gene pyramiding) است. هنگامی که فردی با بیماری‌های ناشی از پاتوژن‌هایی سروکار دارد که تنوع بالایی دارند، یک ژن مقاومت ممکن است برای چند نسل گیاهی مقاومت کامل ایجاد کند تا زمانی که توسط سویه‌های پاتوژن بر آن غلبه شود. تجمع چندین ژن مقاومت در انواع مختلف می تواند مقاومت بادوام (durable resistance) ایجاد کند، زیرا پاتوژن باید همه ژن ها را به طور همزمان شکست دهد، که به شدت احتمال شکست مقاومت را کاهش می دهد. هرم کردن ژن مقاومت با روش‌های اصلاحی کلاسیک تقریباً غیرممکن است، زیرا تأثیر یک ژن تنها در غیاب سایر ژن‌های مقاومت قابل مشاهده است. ژن های مقاومت با برچسب نشانگر را می توان به راحتی بدون نیاز به غربالگری فنوتیپی ترکیب کرد. یک استراتژی مشابه را می توان برای رشد پیشگیرانه مقاومت به پاتوژن هایی که در حال حاضر در یک منطقه وجود ندارند استفاده کرد، زیرا در غیاب پاتوژن ها هیچ غربالگری مقاومت فنوتیپی امکان پذیر نخواهد بود.
نشانگرهای مولکولی مورد علاقه برای پرورش دهندگان یک گونه معین را می توان در مجموعه های بهینه برای ژنوتیپ همزمان ("مولتی پلکس": multiplexed) ترکیب کرد، که امکان استفاده با توان بالا را در برنامه های اصلاحی کاربردی، به ویژه آنهایی که با یک پایه ژنتیکی گسترده تر سروکار دارند، را می دهد. اجرای چنین مجموعه نشانگری به حجم وسیعی از تحقیقات قبلی بستگی دارد. برای هر یک از صفات مورد علاقه، چندین مرحله تحقیق مورد نیاز است، که معمولاً با نقشه یابی مکان های صفت کمی (QTL) شروع می شود، سپس نقشه برداری دقیق و در نهایت نقشه برداری موقعیتی (fine mapping) انجام می شود. هنگامی که ژن عامل بر اساس یک جفت آلل متضاد شناسایی شد، کاوش آلل‌های جدید در ژرم پلاسم‌های متنوع ممکن است دامنه تنوع صفت یا جعبه ابزار را برای مقابله با تنش‌های خاص گسترش دهد.

3- انتخاب ژنوم: سرعت بخشیدن به پیشرفت ژنتیکی

پیشرفت‌های اخیر در فناوری ژنوتیپ‌سازی به شدت هزینه ژنوتیپ‌سازی را کاهش داد و امکان امتیاز دهی هزاران نشانگر در جمعیت‌های گیاهان تحت انتخاب را ایجاد کرد. چندین مرحله از تجزیه و تحلیل ژنتیکی برای شناسایی رابطه هر یک از آن نشانگرها با فنوتیپ نمی تواند با آن همگام باشد مورد نیاز است. در این سناریو، اصلاح‌کننده می‌تواند مقدار زیادی اطلاعات ژنوتیپی با رابطه نامعلوم با صفات انتخابی داشته باشد. رویکرد انتخاب ژنومی پیشنهاد می‌کند که آگاهی از رابطه بین نشانگرهای خاص و ژن‌های خاص در زمینه اصلاحی ضروری نیست. در عوض، اصلاح‌کننده می‌تواند از اطلاعات موجود برای همه نشانگرهای یک گیاه برای پیش‌بینی ارزش اصلاحی آن استفاده کند، بدون اینکه فنوتیپ آن را ارزیابی کند، بر اساس مدل‌های آماری قبلی ساخته شده برای آن نشانگرها با استفاده از «جمعیت آموزشی» (training population) که همه ژنوتیپ‌ها و فنوتیپ‌ها برای آن تعیین شده‌اند. گل زد. نشانگرها به عنوان عوامل تصادفی در چارچوب تحلیل مدل مختلط در نظر گرفته می‌شوند، زیرا تعداد نشانگرهای مورد استفاده در انتخاب ژنومی معمولاً بر تعداد افراد در جامعه آموزشی برتری دارد، به طوری که تخمین اثر هر نشانگر ممکن نخواهد بود. به فقدان درجات آزادی مطالعات شبیه سازی نشان داد که انتخاب ژنومی می تواند پیشرفت ژنتیکی صفات کمی در اصلاح جمعیت را تسریع کند.
انتخاب ژنومی می تواند به عنوان روشی برای به حداکثر رساندن بازده مرحله ارزیابی فنوتیپی در چرخه اصلاحی دیده شود. اطلاعات به دست آمده از یک دور ارزیابی فنوتیپی مناسب می تواند به نسل های بعدی انتشار یابد. هنگامی که مدل‌ها برای محیط‌های مختلف ساخته می‌شوند، پروفایل منحصربه‌فرد نشانگر برای یک فرد معین می‌تواند برای پیش‌بینی عملکرد آن در هر یک از این محیط‌ها مورد استفاده قرار گیرد، که استتنتاج انجام‌شده روی عملکرد هر فرد را به طور قابل‌توجهی بهبود می‌بخشد و هزینه‌های ارزیابی را تا حد زیادی کاهش می‌دهد. استفاده بالقوه از این رویکرد در انتخاب والدین جمعیت‌های اصلاحی جدید نیز امیدوارکننده است. با این حال، پیش‌بینی‌پذیری فنوتیپ از پروفایل نشانگر در طول نسل‌ها محو می‌شود و دورهای جدیدی از داده‌های فنوتیپی باید برای به‌روزرسانی مدل آماری وارد شوند. این رویکرد به ویژه در مواردی مفید خواهد بود که ارزیابی فنوتیپی دشوار، پرهزینه، یا مشروط به رویدادهای نامشخص، مانند وقوع یک آفت یا شرایط آب و هوایی خاص باشد.
انتخاب ژنومی می تواند برای تسریع پرورش برای پتانسیل عملکرد مورد استفاده قرار گیرد، که اغلب به عنوان سخت ترین صفت برای انتخاب به کمک نشانگر در نظر گرفته می شود. در صنایع بذر بسیار رقابتی، مانند موارد ذرت و سویا، هر گونه افزایش در نرخ بهره ژنتیکی می تواند تفاوت قابل توجهی در سهم بازار ایجاد کند. به همین دلیل، شرکت‌های بزرگ بذر سرمایه‌گذاری زیادی در آنالیز DNA با توان عملیاتی بالا و بیوانفورماتیک برای ادغام یکپارچه انتخاب ژنومی در برنامه‌های اصلاحی انجام می‌دهند. دانه ها را می توان قبل از کاشت ژنوتایپینگ کرد، به طوری که فقط افراد از پیش انتخاب شده در کرتهای گران قیمت در مزرعه استفاده می کنند. با توجه به میزان سرمایه گذاری مورد نیاز برای تنظیم و به روز نگه داشتن لاین کشی ژنوتیپ، در مقایسه با شرکت های بذر کوچک، موسسات دولتی و دانشگاه ها، کاربرد کامل انتخاب ژنومی باید در شرکت های خصوصی بزرگ آسان تر اتفاق بیفتد، چرخش زمانی برای تجزیه و تحلیل DNA، پردازش و انتخاب داده ها و تیم آموزش دیده مورد نیاز است.

---

Author

Alexandre Siqueira Guedes Coelho - Universidade Federal de Goiás, Escola de Agronomia e Engenharia de Alimentos, Campus Samambaia, Goiânia, GO, Brazil 74690-900

---

اصلاح نباتات تکاملی (Evolutionary Plant Breeding)

انتخاب طبیعی و سایر فرآیندهای تکاملی در اصلاح نباتات تکاملی به منظور ایجاد گونه‌های گیاهی جدید استفاده می‌شوند. هدف این استراتژی تکرار فرآیندهای طبیعی به منظور ایجاد گیاهانی با ویژگی‌های مطلوب، مانند مقاومت در برابر بیماری یا عملکرد بالا است. کار با گونه‌های موروثی یا گیاهان وحشی، که تنوع ژنتیکی بیشتری نسبت به بسیاری از محصولات کشاورزی تجاری دارند، یک روش معمول در اصلاح نباتات تکاملی است.

پرورش دهندگان می توانند با استفاده از تنوع طبیعی در این جمعیت های گیاهی، گونه های جدیدی ایجاد کنند که به خوبی با شرایط رشد منطقه ای سازگار بوده و دارای کیفیت های ارزشمند متنوعی هستند.

اصلاح گیاهان زینتی (Ornamental Plant Breeding )

هدف از پرورش گیاهان زینتی ایجاد گیاهانی با ویژگی های جذاب یا تزئینی، مانند گل های پر جنب و جوش، برگ های جذاب، یا اشکال متمایز است. در محوطه سازی، باغبانی و سایر اهداف تزئینی، این گیاهان اغلب برای جذابیت زیبایی شناختی خود پرورش داده می شوند.

پیش اصلاحی (Prebreeding):

Pre-breeding refers to all activities designed to iden- tify desirable characteristics and/or genes from unadapted materials that cannot be used directly in breeding populations and to transfer these traits to an intermediate set of materials that breeders can use further in producing new varieties for farmers
قبل از اصلاح به تمام فعالیت‌هایی اطلاق می‌شود که برای شناسایی ویژگی‌ها و/یا ژن‌های مطلوب از مواد ناسازگاری که نمی‌توانند مستقیماً در جمعیت‌های اصلاحی استفاده شوند و برای انتقال این صفات به مجموعه‌ای میانی از مواد طراحی شده‌اند که اصلاحگران می‌توانند بیشتر در تولید انواع جدید واریته های زراعی

1- انتخاب جهت دار به نفع افراد برجسته در جمعیت؛ این نوع انتخاب به نفع افراد با ارزش های صفت در یکی از افراطی های توزیع صفت عمل می کند
2- نسل اول گیاهان هیبرید F1 که از تلاقی بین دو لاین هم نژاد مشتق شده است
جمعیت‌های اثر بنیان‌گذار که از تعداد کمی از افراد نشات می‌گیرند، به دلیل خطای نمونه‌گیری از آلل‌ها، به طور قابل‌توجهی با جمعیتی که آن افراد از آن سرچشمه گرفته‌اند، متفاوت هستند.
رانش ژنتیکی تغییرات ناخواسته در فراوانی های آللی به دلیل واریانس نمونه برداری ذاتی نمونه های کوچک
شرایط تئوریک تعادل هاردی-واینبرگ (HWE) توسط جمعیت های پانمیتی نامتناهی که تحت جهش، مهاجرت یا انتخاب نیستند به دست آمده است. تحت HWE، فرکانس های هموزیگوت ها و هتروزیگوت ها مواردی هستند که به طور تصادفی انتظار می رود، که صرفاً تابعی از فرکانس های آللی هستند.
نسبت شاخص برداشت بین توده دانه و زیست توده کل، به صورت تک بوته یا تاج پوشش
گروه هتروتیک از ژنوتیپ ها که توانایی ترکیبی و پاسخ هتروتیک مشابهی را هنگام تلاقی با ژنوتیپ های سایر گروه های ژرم پلاسم نشان می دهند.
پدیده اثر پلیوتروپیک نسبت به یک ژن که بیش از یک صفت را تحت تأثیر قرار می دهد
تفاوت‌های ساختار ژنتیکی جمعیت در ساختار ژنتیکی زیرجمعیت‌هایی که بخشی از جمعیت مرجع بزرگ‌تر هستند
جایگاه جایگاه صفت کمی در ژنوم که به تعیین یک صفت فنوتیپی با توزیع پیوسته کمک می کند.
صفات کمی که دارای یک تغییر مداوم هستند که معمولاً از تأثیر همزمان بسیاری از ژن ها و محیط ناشی می شود.
تثبیت انتخاب انتخاب به نفع افراد معمولی در جمعیت. این نوع انتخاب علیه افرادی با ارزش های صفت شدید عمل می کند

اصلاح گیاهان در سال 2050 ممکن است چگونه بنظر برسد؟ (بخش دوم)

3- چه چیزی ممکن است کار کند

جمعیت جهان همچنان در حال افزایش است که از این میان یک میلیارد انسان از گرسنگی رنج می برند و 3 میلیارد نفر از افراد مبتلا به سوء تغذیه با کمتر از 2 دلار آمریکا در روز زندگی می‎کنند. امروزه بسیاری از مردم در مناطقی زندگی می‎کنند که تحت تاثیر تخریب زمین، تغییرات مکرر آب و هوا، کاهش سفره های آب زیرزمینی، چرای بیش از حد مراتع، جنگل زدایی مناطق گرمسیری و از دست دادن تنوع زیستی قرار دارند. پس از سرعت سریع تغییرات فناوری و بینش در 25 سال گذشته، تقریباً غیرممکن است که با قطعیت پیش بینی کنیم که در ربع قرن آینده چه اتفاقی خواهد افتاد. از نظر چشم انداز جهانی، مفاهیمی وجود دارند که با فراوانی بیشتری ظاهر می شوند، مانند ایده «مالیات کربن» که به سمت تولید پایدارتر و محلی پیش می‎رود، به ویژه در ارتباط با مدل جدید «اکولوژی کشاورزی» (Agroecology). به موازات آن، پس از مشکلاتی که برخی کشورها پس از همه‌گیری کووید-19 و جنگ در اوکراین تجربه کردند، از مفهوم «حاکمیت غذایی» (Food sovereignty) استقبال می‌شود. از این رو، ایده «تولید بیشتر، با کمتر و به صورت محلی» با وجود چالش آشکار در تبدیل این بیانیه خوب به یک راه حل واقعی مزرعه، در حال افزایش است. افزون بر بدتر شدن آب و هوا، به وضوح چالش تقریبا غیرممکنی را نشان می دهد که دانشمندان گیاه شناسی برای حل آن خواسته شده اند. متخصصان ژنتیک گیاهی با ارائه ارقام همیشه بهتر، قادر به مقاومت در برابر تنش های اقلیمی، محصول بیشتر و بیشتر مغذی، در حالی که از نهاده های کمتر استفاده می کنند و به طور همزمان خاکی که در آن رشد می کنند، نقش کلیدی ایفا می‎کنند.

بسیاری از رشته های مرتبط با اصلاح نباتات باید برای ارائه چنین ژرم پلاسم دور هم جمع شوند. خوشبختانه، معادله ای وجود دارد که به تعریف و نظارت بر پیشرفت به سمت این اهداف مشترک کمک می کند بازده‎ی ژنتیکی یا GG معمولاً به عنوان "نرخ سود در سال" اندازه‌گیری می‌شود که از یک معادله خطی که برهمکنش بین سه عامل را در کاندید کردن (دقت انتخاب، شدت انتخاب و واریانس ژنتیکی) اندازه‌گیری می‌کند، تقسیم بر یک عامل چهارم در مخرج (زمان بازیافت) می‌شود. مطابق شکل زیر. بنابراین بازبینی اینکه کدام فناوری‌ها و نوآوری‌ها می‌توانند تأثیر مثبتی برای هر عامل داشته باشند مفید است.

3-1- دقت انتخاب (Accuracy of selection)
خطای نوع I در اصلاح نباتات را می‌توان به‌عنوان پیشرفت به نسل بعدی ورودی‌هایی دانست که قرار بود اجرا شوند اما نیستند، در حالی که خطای نوع II حذف ورودی‌هایی است که نامرغوب فرض شدند و نیستند. داشتن دقت انتخاب بالا از هر دو خطا جلوگیری می کند و از این رو تضمین می کند که ورودی های واقعا برتر ارتقا می یابند. از دهه 1990، احتمالاً بزرگترین پیشرفت در GG در این عامل از معادله انجام شده است.

3-1-1- دقت فنوتایپینگ (Phenotyping accuracy)

از آنجایی که اکثر تصمیمات اصلاح نباتات بر اساس امتیازات فنوتیپی گرفته می شود، ارزش دقت انتخاب اغلب با مقدار دقت فنوتیپی جایگزین می شود. با این حال، دقت انتخاب و دقت فنوتیپ یکسان نیست، حتی اگر ارتباط آنها مشهود باشد. اکثر صفات در گیاهان توسط چندین ژن کنترل می شوند که به صورت کمی با محیط اثر متقابل دارند. این باعث افزایش اثرمتقابل G × E می شود که می تواند مقدار واقعی یک ورودی را پنهان کند و منجر به دقت پایین انتخاب شود. با این حال، G × E نیز یک اثر بیولوژیکی واقعی است که می‌تواند با استفاده از گونه‌هایی که به طور خاص با یک محیط خاص سازگار شده‌اند، به طور مثبت مورد بهره‌برداری قرار گیرد و به طور موثر عملکرد را افزایش دهد. چندین مدل و رویکرد آماری بهبود یافته برای افزایش وراثت پذیری یک صفت و مدل سازی G × E تعریف شده است. می‌توان انتظار داشت که استقرار تحلیل‌های فضایی پیچیده‌تر و طراحی‌های میدانی بهبود یافته، دقت انتخاب را بیشتر بهبود بخشد. به این امر، استقرار ماشین‌ها و ابزارهای آزمایشی بهتر مربوط می‌شود. چندین شرکت اهمیت خدمت به دانشمندان گیاهی با ابزارهای بهبود یافته را تشخیص داده اند. نسخه های جدید تجهیزات صحرایی و آزمایشگاهی قرار است در دهه های آینده عرضه شوند. یک مثال خوب NIRS است که اکنون به طول موج های وسیع تری مجهز شده است، مدل های پیش بینی بهبود یافته ای دارد و می تواند تنها با استفاده از یک دانه یا مستقیماً روی کمباین در طول برداشت کار کند. ائتلاف‌هایی از دانشمندان گیاهی گرد هم می‌آیند تا مجموعه داده‌های جامع‌تر و گسترده‌تری را برای NIRS ایجاد کنند و تعداد صفات قابل اندازه‌گیری و دقت پیش‌بینی‌هایشان را افزایش دهند. تجمعی از شیوه ها برای مدیریت، پردازش و تجزیه و تحلیل داده های فنومیک برای هدایت واقعی کشف با استفاده از ابزارهای جدید که قادر به تولید میلیون ها نقطه داده در هر نمودار هستند، ضروری خواهد بود.

3-1-2- انباشته شدن ژن های اصلی برای افزایش دقت

​​​ ​​بیشترین افزایش دقت از طریق استقرار ژنومیک به دست آمده است. رویکرد GM تحویل دقیق یک ژن را که صفت موردنظر را کنترل می‌کند، تضمین می‌کند، و از تأثیر پوشاننده‎ی محیط جلوگیری می‌کند. محصولات تراریخته انقلابی در اصلاح نباتات در برخی از محصولات ایجاد کردند، اما تاثیر آنها هنوز در محصولات اصلی که مستقیماً به عنوان غذا مصرف می شوند محدود است. از رویکرد GM در دهه‌های آینده می‌توان انتظار بیشتری داشت، با سازه‌های جدید که وعده داده شده است تا در برابر تنش‌های اقلیمی تحمل کند یا در برابر پاتوژن‌های خاص محافظت کند. با این حال، مقررات فعلی مانع از دسترسی بیشتر اصلاحگران به این فناوری می شود. اگرچه می‎توان امیدوار بود که افکار عمومی در 25 سال آینده به نفع این رویکرد منحرف شود، اما شواهد روشنی وجود ندارد که نشان دهد ممکن است این اتفاق بیفتد. استفاده از کروموزوم‌های مصنوعی نیز برای تبدیل بسیاری از ژن‌ها به طور همزمان پیشنهاد شده است، اما بعید است که این کروموزوم‌ها با استقبال مصرف‌کنندگان مواجه شوند.

از سوی دیگر، جامعه علمی با دقت در حال ترویج استفاده از فناوری ویرایش ژن (Gene-editing technology) است و تاکنون مقررات آن جدا از روش GM مورد بررسی قرار گرفته است. از این رو، پتانسیل واقعی برای دستیابی به نفوذ بسیار دقیق و اصلاح ژن های اصلی با استفاده از روش ویرایش ژن وجود دارد. با این حال، موفقیت این رویکرد در نهایت به ظرفیت به دست آوردن صفات عملکردی جدید با اصلاح تعداد کمی از نوکلئوتیدها و در نتیجه به توانایی ژنتیکدانان گیاهی برای شناسایی مجموعه نوکلئوتیدهای هسته ای برای اصلاح بستگی دارد. از آنجایی که برای اکثر محصولات فقط تعداد کمی از ژن ها به درستی شبیه سازی شده و مشخص شده اند، این شکاف دانش نشان دهنده ی یک مانع واقعی برای به کارگیری ویرایش ژن است. افزایش در دسترس بودن ژنوم ها و پانژنوم های (pangenomes) گیاهی ممکن است کشف و شناسایی ژن های بیشتری را تسریع کند، اما سرمایه گذاری های بیشتری برای تقویت واقعی این جنبه، ضروری است. علاوه بر این، برخی محدودیت‌های فنی در تعداد ژن‌ها یا جایگاه‌هایی وجود دارد که می‌توان در هر نسل کالوس ویرایش کرد، اما شواهدی وجود دارد که نشان می‌دهد این محدودیت ممکن است در دهه‌های آینده برطرف شود. در واقع، عبور از کشت کالوس یکی دیگر از عوامل محدود کننده این فناوری است، زیرا چندین نسل برای تولید دانه های کافی برای پیشبرد آزمایشات لازم است و تنها تعداد کمی از فرزندان می توانند تولید شوند. از سوی دیگر، نشانگرهای DNA به خوبی طراحی شده‌اند تا آلل‌های مورد نظر را نشان‌گذاری کنند، راه‌حلی سریع‌تر، مقیاس‌پذیرتر و از نظر فناوری ساده‌تر برای ژن‌های اصلی هرم کردن آنهاست. در حال حاضر، یک طرح هرمی هدفمند با استفاده از هاپلوئید مضاعف ها می تواند به طور واقع بینانه لاینهای جدیدی با 20 آلل وارد شده را در کمتر از 2 سال و با نرخ های بازده نسبتاً بالا ارائه دهد. از این رو، ویرایش ژن باید به طور قابل توجهی بهبود یابد تا برتر از MAS شود. یک گزینه هیجان‌انگیزتر جایگزین، تولید آلل‌هایی است که در مخزن ژنی اولیه موجود نیستند، یا هدف قرار دادن عناصر تنظیم‌کننده‌ای که تنوع ژنتیکی بسیار کمی برای آنها وجود دارد، اما هنوز لازمه ی درک بیشتری است. لازم است. به طور کلی، این ایده که اصلاح‌کنندگان گیاه نسل بعدی ارقام را با ترکیب چندین آلل از طریق ویرایش ژن طراحی کنند بعید است تا سال 2050 رخ دهد. با این حال، می توان تصور کرد که ویرایش ژن ممکن است برای تصحیح چندین آلل اصلی (Major allele) برای تعداد کمی از والدین تلاقی مورد استفاده قرار گیرد و متعاقب آن استفاده از MAS روی مجموعه بزرگی از فرزندان آنها تسهیل شود.

3-1-3- انباشته شدن ژن های کوچک اثر (Minor gene) برای افزایش دقت

در دسترس بودن گزینه‌های ژنوتایپینگ متراکم مقرون‌به‌صرفه، مدل‌سازی بیومتریک پیچیده، و ابزاری برای مدیریت داده‌های بزرگ، استفاده از ارزش‌های اصلاحی تخمین زده‌شده ژنومی را برای انجام انتخاب (انتخاب ژنومیک، GS ) از ژن‌های کوچک اثر تسهیل می‌کند. مدیریت پیشرفت کمی به سمت بازده ی ژنتیکی در انحصار طرح‌های انتخاب دوره ای طراحی‌شده با دقت باقی خواهد ماند که چندین ژن کوچک اثر را در ترکیب آللی مناسب انباشته می‌کنند. برای این منظور، GS با استقبال و پذیرش فزاینده ای از برنامه ها مواجه شده است. بنابراین، دیگر بحث «اگر» نیست، بلکه «چه زمانی» همه برنامه‌های اصلاح نژاد باید بر آن تکیه کنند. با این حال، هنوز مشکلاتی وجود دارد که باید حل شوند تا از هیاهوی مشابه 30 سال پیش در هنگام تبلیغ MAS جلوگیری شود. در واقع، هنگام مطالعه دقت رویکردهای GS، اصلاحگران متوجه شده اند که انتخاب فنوتیپی آنها چقدر نادرست بوده است و اکنون بیشتر مجذوب ایده انتخاب با دقت2/0 می شوند. هنوز جا برای بهبود این نرخ‌های دقت پایین با استفاده از روش‌های آماری بهتر وجود دارد، اما اتفاق نظر وجود دارد که بهترین سود از انتخاب مجموعه آموزشی مناسب و در نتیجه توانایی اصلاحگران برای طراحی یک طرح مناسب برای آن حاصل می‌شود. به موازات آن، چندین نویسنده بر این باورند که GS می‌تواند یک فناوری مخرب باشد که قادر به افزایش قابل‌توجه نرخ GG باشد. به نوبه خود، این بدان معناست که برنامه‌هایی که GS را اعمال نمی‌کنند، هر ساله در مقایسه با استفاده‌کنندگان اولیه، GG را به سرعت از دست می‌دهند، تا جایی که ژرم پلاسم آنها به زودی منسوخ می‌شود. به همین دلیل است که شرکت های اصلاح نژاد خصوصی و One CGIAR در تسریع پذیرش این روش متعهد شده اند.

اگرچه انگیزه زیادی برای اتخاذ GS به طور گسترده با استفاده از یک رویکرد عمومی وجود دارد، این روش اصلاحی نیاز به تصمیمات و سرمایه گذاری های استراتژیک دارد و آن را به یک فناوری الیت تبدیل می کند. برای انجام GS به ظرفیت انسانی، مدیریت داده های بزرگ کافی و دسترسی به نشانگرهای DNA با توان عملیاتی بالا نیاز دارد. به دلیل هزینه ها و دانش مرتبط با پذیرش آن، به سرعت در حال افزایش شکاف بین سازمان های اصلاحی بزرگتر و بیشتر شرکت های کوچک/متوسط خصوصی یا دولتی است. این به ویژه در جنوب جهانی که در آن One CGIAR در حال فعالیت است صادق است. شکاف ظرفیت انسانی را می توان با آموزش های هدفمند پر کرد، اما همیشه نمی توان طرز فکر سرنخ های اصلاحی موجود را تغییر داد. در گذشته، نسل وسیعی از بیوتکنولوژیست ها برای انجام تجزیه و تحلیل نشانگر داخلی که دیگر مقیاس، هزینه و سرعت چرخش مورد نیاز برای استقرار GS را برآورده نمی کند، آموزش دیده اند. چندین ارائه‌دهنده خدمات خود را برای غربالگری هزاران نتاج با صدها نشانگر DNA در 3 تا 4 هفته پس از زمان آماده‌سازی تثبیت کرده‌اند. این به طور موثر بیوتکنولوژیست ها را به مهاجرت به سمت مشاغل اصلاحی سوق داد و تغییر ذهنیت مورد نیاز برای پذیرش GS را ایجاد کرد.

3-2- شدت انتخاب

شدت انتخاب یک مقدار استاندارد است که توسط نرخ ورودی‌های انتخاب شده از کل اندازه مجموعه اصلی، تعریف می‌شود و هم تحت تأثیر تعداد واقعی ورودی‌ها و هم خود نرخ است . از این نظر، اغلب با توانایی اصلاحگران برای دسترسی به بودجه کافی برای انجام آزمایش در حد تعداد فرزندان، مرتبط بوده است. در مقابل، استفاده از سیستم‌های تست گران‌تر منجر به هزینه بالاتر برای هر نتاج می‌شود و از این رو تعداد کل فرزندان آزمایش شده را کاهش می‌دهد. به عنوان مثال، استفاده از MAS هزینه دارد. تا همین اواخر، اگر غربالگری فنوتیپی کیفی در دسترس بود، استفاده از نشانگرها اقتصادی نبود. به طور مشابه، اگرچه درست است که پیش‌بینی عملکرد توسط GS روی مواد ثابت اغلب ارزان‌تر از انجام آزمایش‌های عملکرد یا آزمایش‌های آزمایشگاهی زمان‌بر است، برای جداسازی نسل‌ها برعکس است زیرا هزاران نتاج منفرد F2 یا F3 را می‌توان به صورت فنوتیپی در عمل ارتقا داد. بدون هزینه، در حالی که فقط تعداد کمی از نتاج را می توان برای انجام ژنوتایپینگ برای GS تهیه کرد. در دهه های آینده، می توان انتظار داشت که انگیزه افزایش تعداد نقطه داده نشانگرها در هر واحد سرمایه گذاری شده نیز با کاهش هزینه ارزیابی تعداد ثابت نشانگر همراه باشد. در واقع، اگرچه افزایش تعداد نشانگرهای آزمایش شده می تواند منجر به افزایش اندکی در دقت شود، که از طریق کاهش هزینه ژنوتایپینگ یک نتاج با چند صد نشانگر است که اصلاحگران قادر به حفظ یا افزایش شدت انتخاب خواهد نمود. در نهایت دستیابی به GG بالاتر. جایگزینی که اصلاحگران برای حفظ یا افزایش شدت انتخاب استفاده کنند، طراحی طرح های دوره ای تلاقی خانواده های تنی (Full sib) یا انجام GS در بیش از یک نسل فرزندی در حال تفرق است ، اما هر دو روش نیاز به سرمایه گذاری هدفمند دارند. با این وجود، حفظ سطوح بالای شدت انتخاب در نسلهای در حال تفرق احتمالاً بزرگترین چالشی است که اصلاح‌کنندگان گیاهان در دهه‌های آینده با آن مواجه خواهند شد و اکنون مشخص نیست که تا سال 2050 چه راه‌حل‌های نوآورانه‌ای برای آن ابداع خواهد شد.

3-3- واریانس ژنتیکی

از دهه 1990 و معرفی نشانگرهای DNA، ما به طور فزاینده ای در ارزیابی سطح تنوع ژنتیکی که توسط برنامه های اصلاحی برگزار می شود، ماهر شده ایم. متأسفانه، نتایج مثبت نیستند و نشان می‌دهند که بیشتر تنوع هنوز در بانک‌های ژن ما ذخیره می‌شود، که خوشبختانه کار شگفت‌انگیزی در حفظ آن انجام داد تا زمانی که اصلاح کنندگان بتوانند از آن بهره‌برداری کنند. رابطه بین "واریانس مفید" برای یک صفت مورد علاقه و "تنوع ژنتیکی" به طور کلی خطی نیست. با این وجود، به طور کلی پذیرفته شده است که برنامه ای با تنوع کم قادر به ایجاد واریانس مفید نیست. روند اصلاحی تلاقی مداوم بهترین ها با بهترین ها و انتخاب بهترین ها بسیار سریع واریانس را "می خورد" و باعث تثبیت سریع آلل های ترجیحی می شود، تا زمانی که اصلاحگران قادر به پیشرفت بیشتر نباشند. بسیاری از نویسندگان به اصلاحگران این روند منفی هشدار دادند، اما تغییر ذهنیت نسبت به استفاده از والدین جفت گیری بیگانه تر هنوز توسط بسیاری پذیرفته نشده است. در واقع، برای مدت طولانی به دانش‌آموزان آموزش داده شده است که استفاده از نژادهای بومی و خویشاوندان وحشی محصول آخرین منبعی است که باید تنها در موارد شدید مورد استفاده قرار گیرد. اخیرا، یک حرکت جدید به سمت الحاق این افراد به الیت توسط لاین کشی اختصاصی قبل از اصلاح، نتایج بسیار مثبتی را نشان داده است. برخی از نویسندگان پیشنهاد کرده اند که نتایج "بهتر از حد انتظار" به دست آمده در هنگام استفاده از ژرم پلاسم بیگانه در برنامه های تلاقی آنها را می توان به واریانس ژنتیکی بالاتر تولید شده نسبت داد، زیرا هیچ توضیح واضح دیگری نمی توان یافت.

مفهوم تقویت ژرم پلاسم یا پیش اصلاحی به طور کلی پذیرفته شده است و برنامه های بیشتری در حال اتخاذ اصول آن هستند. بانک‌های ژن منبع آشکار این تنوع جدید هستند. چندین نفر در حال انجام کار سخت برای توصیف بهتر الحاقات (accessions) خود برای خدمت به تنوع هدفمند بر اساس تقاضا هستند. در چندین مورد، بانک ژن فرآیندی برای توالی یابی یا ژنوتایپینگ کل الحاقات خود را آغاز کرده است. این احتمال وجود دارد که در دهه‌های آینده اطلاعات ژنومی بیشتری از بانک‌های ژن و همچنین سایر برنامه‌های اصلاحی در دسترس قرار گیرد. از این رو، می توان تصور کرد که پایگاه داده های بانک ژن موجود مانند

GeneSys (https://www.genesys-pgr.org)، Germinate (https://germinateplatform.github.io/get-germinate/؛ یا NCBI در آینده نزدیک به دارندگان واقعی تنوع ژنتیکی جهانی در قالب توالی های ژنومی ذخیره شده تبدیل خواهند شد. برنامه های اصلاحی در معرض خطر از دست دادن واریانس در یک منطقه خاص یا برای یک صفت خاص، می توانند از این پایگاه های داده برای شناسایی واریانس مورد نیاز و کسب آن از بانک ژن پرس و جو کنند . به موازات آن، استفاده از رویکردهایی برای به حداکثر رساندن احتمال موفقیت هنگام انتخاب شرکای جفت‌گیری مانند PopVar یا هوش مصنوعی احتمالاً در دهه‌های آینده به استانداردهای طلا تبدیل خواهد شد و با آنها مدیریت واریانس تبدیل خواهد شد.

3-4- زمان بازیافت

زمان بازیافت بیان شده بر حسب سال است که بین لحظه ای که یک تلاقی ایجاد می شود و نتاج حاصل از آن دوباره جفت گیری می شود می گذرد. سپس تابعی از زمان لازم برای تکمیل یک تلاقی و سپس پیشبرد نتاج به دست آمده به نسلی است که صفات مورد علاقه را می توان با دقت کافی اندازه گیری کرد، و تعداد آزمایش های متوالی مورد نیاز قبل از تعیین اینکه یک نتاج به عنوان والدین یک نسل جدید ارزشمند هستند، است. یک پیشرفت بزرگ برای این عامل معادله GG قبلاً توسط نورمن بورلاگ در دهه 1950 با معرفی مفهوم اصلاح شاتل به دست آمد که امکان پیشروی به اینبرد با سرعت دو نسل در سال را فراهم کرد. در دهه 1990، پذیرش گسترده انتشار کلونال و هاپلوئید مضاعف به سرعت پیشرفت حتی سریع‌تری دست یافت. اخیراً، رویکردی به نام «پرورش سریع»، که روشی برای تسریع در زمان تولید در گلخانه با استفاده از نور مصنوعی طولانی روز و دماهای کنترل‌شده است، به دلیل مطابقت با زمان پیشرفت انجام شده توسط هاپلوئید مضاعف، اما با کسری از هزینه و امکان انجام انتخاب فنوتیپی در حین پیشرفت به سوی اینبرد وجود دارد . به دلیل مزایای فراوان آن، می توان انتظار داشت که پرورش سریع در دهه های آینده با استقبال بیشتری روبرو شود. با این حال، هزینه برق برای روشنایی و کنترل دما، و ساعت های کارگری که نیاز دارد، باعث می شود که در همه جا مناسب نباشد. از این نظر، در مناطق جنوبی کره ی زمین با ساعات طولانی‌تر آفتاب، دمای ملایم‌تر و اغلب هزینه‌های مقرون‌به‌صرفه‌تر دسترسی دارد. سپس می توان تصور کرد که ارائه دهندگان خدمات برای این فناوری در آنجا تأسیس شده و به کار گرفته می شوند تا به نیازهای برنامه ها در سراسر جهان پاسخ دهند.

با وجود تسریع زمان برای اینبرد یا نسل آزمایش، نیاز به انجام چندین سال و چندین محیط آزمایش قبل از شناسایی مفیدترین نتاج برای ترکیب مجدد، عامل اصلی محدود کننده برای کاهش واقعی زمان بازیافت است. از این نظر، GS با توانایی خود در پیش بینی عملکرد فرزندان قبل از آزمایش میدانی، فرصت هیجان انگیزی را برای کاهش شدید زمان بازیافت ارائه می دهد. بنابراین، تلاقی مجدد F2 انتخاب شده یک امکان واقعی است، که متأسفانه با نیاز به تغذیه مدل GS با مجموعه داده های آموزشی مربوط به فرزندان، از آن جلوگیری می شود. از این رو، می‌توان پیش‌بینی کرد که دهه‌های آینده شاهد توسعه طرح‌های اصلاحی و مدل‌های آماری جدید خواهیم بود که قادر به رسیدگی به موضوع ارتباط کم بین جمعیت اصلاحی و آموزشی هستند تا در نهایت مخرج‌هایی را برای معادله GG با اندازه «1» یا کسری از آن حتی ارائه کنند.

4- آزادسازی ارقام

دشواری به کارگیری برخی از رویکردهای جدید شرح داده شده در بالا پیش بینی می شود که به نفع ایجاد ارائه دهندگان خدماتی است که قادر به جمع آوری درخواست ها برای کاهش هزینه ها هستند. نموداری که توضیح می دهد که پرورش آینده با گنجاندن ارائه دهندگان خدمات چگونه ممکن است به نظر برسد در شکل 2 ارائه شده است و در این بخش به طور گسترده توضیح داده شده است. یک ارائه‌دهنده خدمات باید برای طراحی بهترین تلاقی‌ها با استفاده از روش‌های هوش مصنوعی برای استخراج واریانس مفید از مجموعه داده‌های جهانی، منعقد شود. باید به ارائه‌دهنده خدمات دیگری سپرده شود تا فرزندان حاصل را به سرعت از طریق اصلاح سریع و اطمینان از تحمیل GS و MAS، همچنین با بکارگیری پیشرفته‌ترین مدل‌های بیومتریک، به پیش ببرد. بازیافت نتاج به سرعت بر اساس عملکرد پیش‌بینی‌شده‌شان اتفاق می‌افتد، در حالی که به موازات آن، مواد باید به مرحله اول آزمایش پیش بروند. یکی دیگر از ارائه‌دهندگان خدمات غربالگری فنوتیپی با کارایی بالا را ارائه می‌کند، احتمالاً استفاده از پلتفرم‌های فنوتایپینگ میدانی واقع در در مناطق جنوبی جهان را برای دریافت برچسب‌های تایید شده خاص یکپارچه می‌کند. سپس فرزندانی که تحت آزمایش عملکرد قرار می‌گیرند با تراکم بالا ژنوتایپینگ می‌شوند تا مبنایی برای پیش‌بینی‌ها و انتساب‌های آینده فراهم شود. سپس جالب‌ترین ژرم پلاسم در لاین کشی اصلاحی به سطح رقم ارتقا می‌یابد و می‌توان از رویکردهای مشارکتی برای شناسایی میزان پذیرش آن توسط کاربران استفاده کرد. به عنوان مثال، آلاری و همکاران. (2020) یک شاخص انتخاب وزنی کشاورزان مشارکتی (PWS) را پیشنهاد کرده اند تا انتخاب گونه مشارکتی کلاسیک تر را افزایش دهد و ترجیحات صفاتی را تعریف کند که می تواند در تمام سطوح لاین کشی اصلاحی ادغام شود.

شکل 2 - اصلاح فردا: چشم‌اندازی برای رویکرد اصلاح نباتات در سال 2050 که برای اکثر مراحل به ارائه‌دهندگان خدمات متکی است، از جمله استفاده از مدل‌های هوش مصنوعی در نسل بعدی، جامعه جهانی تمرین برای تبادل داده‌ها و واریانس مفید، طرح‌های تسریع‌شده با تکیه بر ارائه‌دهندگان در شرایط ملایم‌تر. اقلیم، و یکپارچگی قوی از هوش بازار، از جمله استفاده از رویکردهای مشارکتی. به عنوان مثال، تغییر رویکرد شهروندی به ارقام آزاد شده اجازه می‌دهد تا به تعداد کم کیسه‌های بذر فروخته شوند و سپس هر کشاورز مسئول تولید مقادیر زیادی بذر شود.

احتمالاً در سیستم انتشار واریته نیز تجدیدنظری صورت می‌گیرد و از سیستم بسیار پرهزینه و زمان‌بر متمایز، یکنواخت و پایدار دوری می‌شود و به سمت یک رویکرد پیشرفته‌تر ژنومی می‌رود. یک مثال می تواند این باشد که هر اصلاحگر مجددا توالی ژنومی رقم جدید خود را در یک مخزن متمرکز می گذارد، که سپس می تواند برای ردیابی سهم ژنومی و اهمیت نسبی مکان های مختلف استفاده شود. برای دام، سهم پیش‌بینی‌شده ژنومی آن‌ها برای نسل بعدی فرزندان برای فروش مایع منی والدین مذکر منتخب برای لقاح مصنوعی کافی است. بعید نیست که توالی ژنومی ارقام جدید برای تعیین ارزش پیش بینی شده آنها برای کشاورزی و جفت گیری و فروش گرده آنها به برنامه های دیگر کافی باشد. به موازات آن، یک انگیزه جهانی برای تسریع و بهبود رویکرد اصلاحی احتمالاً منجر به تجدید نظر در چندین جنبه قانونی حاکم بر انتشار انواع گیاهی می شود. مخزن ژنومی ارقام همچنین می تواند به عنوان یک کاتالوگ جهانی جدید عمل کند و جایگزین نیاز وقت گیر انتشارات خاص کشور شود. خود توالی می تواند برای تعیین سهم ژنومی ارقام مختلف و مواد اصلاحی و در نهایت به رسمیت شناختن حقوق و حق امتیاز هر برنامه اصلاحی استفاده شود. علاوه بر این، استفاده از نشانگرهای DNA برای آزمایش بذرها امکان شناسایی سریع ارقام را فراهم می‌کند، بنابراین استقرار آنها در محل جمع‌آوری (مانند آسیاب‌ها، آسانسورهای غلات و غیره) می‌تواند برای ردیابی استفاده تجاری آنها مفید باشد. در آن چشم انداز، روند فعلی صدور گواهینامه بذرها منسوخ می شود. به نظر می رسد تولید در مقیاس بزرگ بذر با کیفیت همچنان یک عامل محدود کننده برای جذب ارقام تازه آزاد شده باشد. حدود 2 سال طول می کشد تا به همگنی کافی برای ارسال بذرها به کاتالوگ ارقام برسد، 2 سال دیگر آزمایش مزرعه در سراسر سایت ها، 4 تا 6 سال دیگر برای تولید بذر کافی برای تجاری سازی آنها و 3 یا 4 سال دیگر برای رسیدن به پذیرش گسترده. این بازه زمانی نیاز به بازنگری دارد و یک تغییر پارادایم را برای بهبود تحویل نرخ های بالاتر GG به کشاورزان تضمین می کند. یک راه حل می تواند یک تغییر غیرمتمرکز به سمت استراتژی «انجمن سرمایه گذاری بذر» (community seed enterprise) باشد، با اینکه یک مزرعه در هر جامعه مسئول تامین نیازهای بذر محلی باشد، در حالی که نشانگرهای DNA اعمال شده در برداشت به عنوان اندازه گیری واقعی عمل می کنند. حق امتیازی که باید به توسعه دهنده واریته اصلی پرداخت شود. چنین تغییری نیز عالی خواهد بود

5 اصلاحگران گیاه فردا

مقاله سال 2003 "یک نژاد در حال مرگ" (A dying breed) بیان کرد: "تحقیقات بخش عمومی در مورد اصلاح کلاسیک محصولات [میدانی] در حال پژمرده شدن است، که جایگزین روش های پیشرفته "جنسی تر" شده است". بیست سال پیش، این مقاله نشان می‌دهد که چگونه تحقیقات میدانی به نفع روش‌های اصلاحی بیشتر «تکنولوژی پیشرفته»، قدرت خود را از دست داده است. بنابراین، چه کسانی ممکن است اصلاحگران گیاه فردا باشند و آیا این روند به دور از کار مزرعه ادامه خواهد یافت ؟

اصلاح نژاد برای باقیمانده این قرن بیست و یکم مستلزم درگیر شدن در رویکردهای مشارکتی بیشتر برای برآوردن نیازهای بازار در حال تغییر است، در حالی که ترویج استقرار استراتژیک صفات جدید برای تشدید (یا گسترش) کشاورزی پایدار، و در عین حال اصلاح لاین کشی توسعه رقم به نرخ های بالاتری از GG را به مزارع کشاورزان تحویل دهید. بنابراین، ما متصور هستیم که اصلاحگران گیاه فردا باید با اقتصاددانان اجتماعی برابر با یکدیگر گفتگو کنند تا مشخصات محصول قابل دستیابی را تعریف کنند و ترجیحات بازار را زودتر درک کنند. اصلاحگران فردا همچنین باید آخرین پیشرفت ها در زراعت را بدانند تا صفات مناسب برای شیوه های جدید مدیریت مزرعه را پیشنهاد و ادغام کنند. در چشم انداز ما از یک "نژاد مبتنی بر خدمات" بیشتر، که در آن پیشرفت به سمت اینبرد باید در محیط های مصنوعی انجام شود، ادغام مدل های ژنومی بر اساس تقاضا برای انتخاب کاندیدهای انجام شده توسط ارائه دهندگان خدمات، و حتی انتخاب والدین حذف شده از ترجیح ذهنی اصلاحگر، این امکان وجود دارد که مهارت های بیومتریک اصلاحگران کمتر از امروز مورد نیاز باشد. در عوض،اصلاحگران نباتات فردا باید لاین کشی استراتژیک طراحی کنند، منابع را به طور موثر تخصیص دهند و تمام تدارکات را مدیریت کنند. اطمینان از تعادل مناسب شدت انتخاب بالا در مقابل امکان افزایش دقت انتخاب با هزینه های بالاتر برای هر فرد را می توان به عنوان چالش واقعی قرن آینده اصلاح پیش بینی کرد. چالشی که ممکن است با به کارگیری اصول منطق معمولی مهندسان، به جای قوانین ژنتیکی که برای اصلاحگران گیاهان آشناتر است، بهتر حل شود. با این وجود، هنگامی که بهترین رویکرد طراحی و اصلاح شود، اصلاحگران گیاهان ممکن است وقت آزاد کافی برای لذت بردن دوباره از «پیاده روی مزرعه» و «سوت زدن در مزرعه» را پیدا کنند، چیزهایی را در مورد گیاهان یاد بگیرند که فقط ذهن انسان قادر به درک آن است، و در نهایت شکستن روند و راندن "هنر" به کار اصلاح گیاهان.

---

1. فنوتایپینگ: فعالیت یا فرآیند تعیین، تجزیه و تحلیل یا پیش‌بینی تمام یا بخشی از فنوتیپ یک موجود زنده. فنوتیپ گیاهی، که ارزیابی صفات بیان شده (تحت تاثیر ساختار ژنتیکی و تغییرات محیطی) است، یک فرآیند حیاتی در برنامه های بهبود محصول است.
2. آگرواکولوژی کشاورزی پایداری است که با طبیعت کار می کند. بوم شناسی (اکولوژی) مطالعه روابط بین گیاهان، حیوانات، انسان ها و محیط اطرافشان – و تعادل بین این روابط است. اگرواکولوژی به کارگیری مفاهیم و اصول اکولوژیکی در کشاورزی است.
3. «حاکمیت غذایی حق مردم برای داشتن غذای سالم و متناسب با فرهنگشان است که از طریق روش‌های زیست‌محیطی سالم و پایدار تولید می‌شود، و حق آن‌ها برای تعریف سیستم‌های غذایی و کشاورزی خودشان است.

اصلاح گیاهان در سال 2050 ممکن است چگونه بنظر برسد؟ (بخش اول)

1- مقدمه

بیست و پنج سال پیش، سال 1998 است، تقریباً پایان قرن، چشم انداز کشاورزی جهانی به کارگیری تمام نوآوری­های موجود برای به حداکثر رساندن بهره­وری مزارع در واحد زمین برای غلبه بر خطر ناامنی غذایی در مواجهه با جمعیت رو به رشد بود. سه سال قبل تر از آن (1995)، آژانس حفاظت از محیط زیست برای کشاورزی در ایالات متحده، محصولات اصلاح شده ژنتیکی (GM) مقاوم به حشره­ی Bacillus thuringiensis در گیاهان ذرت، پنبه، سیب­زمینی و تنباکو را تایید کرده بود. تا سال 1997، محصولات تراریخته سهم بزرگی از بازار را به خود اختصاص داده­اند و به روند صعودی خود ادامه خواهند داد. پنج سال قبل تر (1993)، کری مولیس و مایکل اسمیت جایزه نوبل شیمی را برای اختراع واکنش زنجیره‌ای پلیمراز دریافت کردند که الهام‌بخش میلیون‌ها کاربرد بالقوه توسط ژنتیک‌دانان در سراسر جهان بود. دو سال قبل­تر (1996)، اولین ژنوم یوکاریوتی (Saccharomyces cerevisiae) با موفقیت توالی­یابی شد و کنسرسیوم توالی یابی آرابیدوپسیس به تازگی برای دستیابی به توالی ژنوم کامل خود چند سال بعد (2000) تشکیل شد.

همچنین در آغاز قرن حاضر است که بسیاری از نویسندگان توسط ویراستاران مورد جستجو قرار گرفتند تا دیدگاه خود را برای هزاره بعدی اصلاح نباتات آشکار کنند. با پیشرفت­های فراوان ژنتیکی در دهه 1990، تعجب آور نیست که در سال 1998 Ortiz اعلام کرد که در قرن آینده اصلاح نژاد به شدت به نشانگرهای مولکولی، GM و توالی ژنوم کل وابسته خواهد شد. در آن زمان، افزایش تکنیک‌های هاپلوئید مضاعف و افزایش غیرقابل انکار ظرفیت محاسباتی توجه این نویسنده را به خود جلب کرده بود. این مطمئناً تنها مروری نبود که پیش‌بینی می‌کرد ژنتیک و ژنومیک در نهایت منجر به پیشرفت بعدی به سوی جهانی امن غذایی شود بوسمارک (1995) و لی (1998) پیشنهاد کردند که استفاده از نشانگرهای مولکولی می‌تواند راه را برای افزایش شدت انتخاب و امکان کشف تنوع گسترده‌تر از همیشه منجر شود. کوپر و همکاران (1999) با پیشنهاد چگونگی استفاده از نشانگرهای مولکولی برای مدل‌سازی آماری برهمکنش‌های ژنتیکی کمی پیچیده بین صفات و محیط‌ها، و در نهایت قادر به استفاده از مدل‌های محاسباتی برای اتخاذ تصمیمات اصلاحی کارآمدتر، موضع کمی متفاوت اتخاذ کرد. در همین راستا، هیل و همکاران. (1998) در کتاب ژنتیک کمی خود اهمیت اتخاذ آخرین رویکردهای بیومتریک برای مدل‌سازی ژنوتیپ بر اساس اثر متقابل محیطی (G × E) را برای دستیابی به دستاوردهای ژنتیکی بالاتر را تعریف کردند. موفقیت بزرگ محصولات هیبریدی همچنین الهام بخش بسیاری از نویسندگان در آغاز قرن شد تا تلاش دیگری برای تبدیل محصولات خودگرده‌افشان بیشتر به سیستم‌های هیبریدی درخواست کنند. با این حال، ژنتیک تنها جنبه ای نبود که نویسندگان را به خود جلب کرد. برخی از نوآوری‌ها در فیزیولوژی گیاهی همچنین باعث ایجاد دیدگاه جدیدی برای روش‌های فنوتیپ‌سازی شد که اصلاح‌کنندگان می‌توانستند به کار گیرند. از جمله استفاده از برخی تجهیزات آزمایشگاهی جدید برای پیش‌بینی مناسب بودن صنعتی در سطح طرح، مانند طیف‌سنجی بازتابی نزدیک به فروسرخ (Near-infrared reflectance spectroscopy ,NIRS) برای جایگزینی شیمی مرطوب. همچنین زمانی است که کشاورزان شروع به ترویج گسترده مفهوم خاکورزی صفر (Zero tillage) و کشاورزی حفاظتی (Conservation agriculture) کردند.

2- چه کار کرد و چه نشد

بیست و پنج سال به جلو، اکنون سال 2023 است، و شما احتمالاً در حال خواندن این مقاله در رایانه لپ‌تاپ یا تلفن هوشمند خود هستید، تعداد ژنوم‌های گیاهی که توالی‌یابی شده‌اند را از دست داده‌ایم و صحبت در مورد نشانگرهای مولکولی به امری عادی تبدیل شده است. همانطور که در مورد آب و هوا صحبت می کنیم، که در این بین خیلی کمتر عادی شده است. در عین حال، قیمت نفت پنج برابر شده است، تغییرات آب و هوایی دیگر یک "بحث" نیست، بلکه یک "قطعیت" است، و جهان همه گیری جهانی SARS-Cov-2 (COVID-19) را تجربه کرده است. . بنابراین، آیا همه پیش بینی­های یک انقلاب ژنومی در اصلاح نباتات به واقعیت تبدیل می­شود؟

چشم انداز کشاورزی جهانی در یک ربع قرن به شدت تغییر کرده است و از ایده دهه 1990 در جستجوی حداکثر بازده مزرعه دور شده و به یک هدف پایدار جدید برای به حداقل رساندن استفاده از نهاده ها و کاهش اثرات زیست محیطی تغییر کرده است .در این فرآیند، مفهوم دستیابی به امنیت غذایی جهانی به سمت چشم اندازی جدید برای آینده­ای سودآورتر، مغذی­تر و پایدارتر تبدیل شده است. جالب توجه است، پذیرش گسترده محصولات تراریخته، یکی از فناوری‌های اصلاحی که توسط نویسندگان در دهه 1990 مورد حمایت قرار گرفت، به عنوان عامل اصلی این تغییر سریع ایدئولوژیکی مطرح شده است. مصرف کنندگان احتمالاً برای ظهور سریع محصولات تراریخته در فروشگاه‎های مواد غذایی خود آماده نبودند و در بسیاری از موارد با اعمال فشار بر تنظیم کننده­های خود، برای کنترل گسترش آنها واکنش نشان دادند. به این ترتیب، فناوری GM با مناطق وسیعی که امروزه کشت می‌شود موفقیت غیرقابل انکاری بوده است، اما همچنین از آنجایی که محدودیت‌های قانونی مرتبط با آن بر توانایی پرورش‌دهندگان برای استقرار آن تأثیر گذاشته است، شکست خورده است. در واقع، تنها تعداد کمی از محصولات زراعی (کلزا، پنبه، ذرت، و سویا) در حال حاضر در زمین­های بزرگ جهان به­عنوان تراریخته کشت می­شوند، که برداشت آنها عمدتاً برای مصرف مستقیم توسط انسان نیست. علاوه بر این، روند قانونی پرهزینه برای ثبت نام GM، استقرار آنها را به شرکت‌های بزرگ خصوصی چندملیتی محدود می‌کند. سرمایه گذاری‎های عمومی GM تقریبا ناچیز بوده است. تعداد معدودی از برنج­های کشت شده مانند "برنج طلایی" هنوز سطح کافی برای آن در نظرگرفته نشده تا موفقیت واقعی حاصل شود. پیچیدگی استقرار محصولات تراریخته همچنین سرمایه‌گذاری تحقیقات عمومی را کاهش داده است و مانع از کشف سازه‌های جدید و مفید می‌شود، به طوری که تاکنون تنها تعداد کمی از تراریخته‌ها به کار گرفته شده‌اند.

فناوری نشانگر DNA نیز در دهه 1990 به عنوان کلید موفقیت­های آینده پرورش دهندگان گیاهان دیده می­شد. در دو دهه، قیمت هر نقطه داده مولکولی بسیار پایین‌تر از حد انتظار بوده است و در نتیجه پذیرش این فناوری بسیار مقرون‌به‌صرفه بوده است. علاوه بر این، شکل پرورش‌دهنده گیاه عمیقاً تغییر کرده است، به طوری که نسل جوان به طور کامل در به کارگیری روش‌های اصلاحی مبتنی بر ژنوم آموزش دیده است. علاوه بر این، استفاده از ابزارهای ژنومی در اصلاح نژاد باعث افزایش گسترده تعداد و کیفیت انتشارات منتشر شده توسط متخصصان ژنتیک گیاهی شده است و واقعاً سطح دانش در این زمینه به سمت بالا حرکت می‎کند. علی‌رغم همه این تغییرات مثبت، کاملاً مشهود است که فناوری نشانگر DNA تنها منجر به تعداد کمی از ارقام ثبت شده‎ی منتشر شده است که نتوانسته است بر پرورش گیاهان در مقیاسی که دانشمندان در ابتدای قرن پیش‌بینی می‌کردند تأثیر بگذارد. دلایل را می توان در این واقعیت جستجو کرد که زمان زیادی طول کشید تا پرورش دهندگان نباتات آن را بپذیرند و بعداً آن را پذیرفتند. علاوه بر این، هزینه، پیچیدگی، زمان تحویل آهسته و تعداد کم نمونه‌هایی که تا همین اواخر می‌توانستند پردازش شوند، نیازهای اصلاح‌کنندگان گیاه را برآورده نمی‌کردند. بعلاوه، کشف نشانگرهای مفید DNA برای استقرار برای پرورش دهندگان گیاه بسیار کند بود و نشانگرهای DNA نسبتاً معتبر کمی پس از همان مکان هایی که این نشانگرها به طور گسترده از طریق غربالگری فنوتیپی وارد شده بودند، در دسترس قرار گرفتند، بنابراین آنها را عملا بلا استفاده تبدیل کردند. علاوه بر این، مقالات وسیعی که از طریق کشف مکان‌های صفت کمی (QTL) تولید می‌شود، علی‌رغم اینکه تقریباً همیشه در بخش نتیجه‌گیری خود اعلام می‌کنند که «این QTL اکنون برای انتخاب به کمک نشانگر (MAS) مفید است»، نویسندگان به ندرت این گفته را با اجرا تأیید کردند. مرحله ای از تبدیل و اعتبارسنجی نشانگر، که باعث می شود QTL کشف شده آنها برای MAS آماده نباشد. اگرچه این درست است که اخیراً یک تغییر و اصلاح واقعی در فناوری نشانگر DNA برای خدمت به پرورش دهندگان صورت گرفته است، اما استقرار آنها هنوز در زمینه کشاورزان در مقیاس وسیع انجام نشده است.

در ارتباط با نشانگرهای DNA ، فناوری دیگری که انتظار می رفت مخل باشد، توالی یابی ژنوم بود. به طور خاص، استفاده از ارگانیسم های مدل به عنوان یک راه حل استراتژیک برای ایجاد سریع دانش که می تواند به محصولات منتقل شود، در نظر گرفته شد. در واقع، ارگانیسم‌های مدل به توسعه دانش و مدل‌های ژنی کمک کرده‌اند، اما تا به امروز تأثیر آنها در اصلاح گیاهان بسیار محدود بوده است کاهش به‎صورت نمایی در هزینه و زمان چرخش برای توالی‎یابی جدید، تقریباً همه گونه‎های گیاهی امروزه حداقل یک ژنوم مرجع، اگر نه هزاران، در اختیار دارند. این ژنوم های مرجع برای لنگر انداختن و مقایسه اطلاعات در میان گروه‎های تحقیقاتی ایده آل هستند و همچنین به دنبال کشف سریعتر ژن‎های مفید هستند. با این حال، پذیرش آهسته تر از حد انتظار MAS و محدودیت های قانونی در استقرار GM به نوبه خود از بهره برداری کافی از توالی‎های ژنومی توسط پرورش دهندگان جلوگیری کرده است. به این ترتیب، همچنین این فناوری هنوز تأثیری بر اصلاح نباتات که نویسندگان در دهه 1990 پیش‌بینی می‌کردند، نداشته است.

حوزه فنومیک (phenomenal) نیز از آغاز قرن اخیر به پیشرفت های بزرگی دست یافته است. استفاده از روش‌های سنجش از دور که از زمین، زیر زمین، هوا یا فضا انجام می‌شود، مورد استقبال و پذیرش سریع بسیاری از پرورش‌دهندگان قرار گرفته است. به طور مشابه، استقرار محیط‌های انتخاب مصنوعی مانند ریزوترون‌ها، هیدروپونیک، فیتوترون‌ها (Rhizotrons, Hydroponics, Phytotrons) و سایر سیستم‌های شبیه‌سازی شده در سال‌های اخیر با استقبال زیادی مواجه شده‌اند. با این حال، اعتبار آنها برای استفاده در اصلاح نباتات همچنان ادامه دارد، بنابراین تأثیر کلی آنها در مزارع کشاورزان کاملاً محدود می‎شود.

به طور کلی، ابزارهای omics که در پایان قرن امید زیادی به آنها داده شد، کمتر از حد انتظار عمل کردند. با این وجود، تولید گیاهی در سطح جهانی روند صعودی واضحی را برای عملکرد ثبت کرده است، همانطور که برای برخی از محصولات نماینده در شکل 1 با استفاده از داده های جهانی تولید شده توسط FAOSTAT (https://www.fao.org/faostat/en/#home) نشان داده شده است. اگرچه بخش بزرگی از این بهبود عملکرد را می توان به بهبود در دامپروری و مدیریت منابع نسبت داد، بخش قابل توجهی از طریق توانایی پرورش دهندگان نباتات در افزایش نرخ GG تضمین شده است. بنابراین، می توان پرسید که چه عواملی در آن نقش داشتند؟

شکل 1- افزایش عملکرد جهانی در 20 سال گذشته به صورت نرخ سالانه (محور عمودی - نوارهای خاکستری) و افزایش عملکرد کل (محور عمودی ثانویه - خط سیاه) برای برخی از محصولات نماینده برآورد شده توسط داده‌های FAOSTAT ارائه شده است. نرخ سالانه افزایش عملکرد به صورت عددی بالای میله ها گزارش شده و دستاوردهای ژنتیکی و مدیریتی را ترکیب می کند. لازم به ذکر است که سیب زمینی، هویج و گوجه فرنگی به عنوان عملکرد وزن تر گزارش شده است.

استقرار سیستم هیبریدی در اواخر دهه 1980 در اکثر محصولات زراعی سود زیادی ایجاد کرده است و در برخی موارد منجر به استراتژیهای بهتر برای تولید بذر نیز شده است . متأسفانه، چندین عامل حیاتی امکان‌سنجی تجاری آن را تعیین می‌کنند و استقرار آن در گونه‌های خود گرده افشان هنوز جزئی است. برای محصولاتی مانند برنج، جو و گندم نتایج امیدوارکننده‌ای اخیراً ثبت شده است، اما پذیرش هنوز محدود است.

از سوی دیگر استفاده از روشهای تسریع شده برای رسیدن به هموزیگوسیتی به یک استاندارد طلایی برای همه محصولات تبدیل شده است. تکنیک هاپلوئید مضاعف (DH) تقریباً در تمام سیستم‌های اصلاحی به‌طور گسترده مورد استفاده قرار گرفته است، به‌ویژه برای آن دسته از گیاهان زراعی که به دوره‌های طولانی تجمعی سرما قبل از گل‌دهی (یا بهاره شدن، Vernalization) نیاز دارند. برای ارقام بهاره، استفاده از روش پرورش شاتل (Shuttle breeding) برای دو یا سه برابر کردن تعداد چرخه رشد در سال، اغلب به DH ترجیح داده می شود، زیرا به طور قابل توجهی در همان زمان، با هزینه کمتر، به آزمایش همخونی (Inbred) میرسد و امکان تولید نتاج بیشتر را فراهم می کند. اخیراً، ظهور «اصلاح سریع» (Speed breeding) برای افزایش بیشتر تعداد نسل‌های تکمیل‌شده در سال نیز سطح خوبی از پذیرش پیدا کرده است و گونه‌های جدیدی که از این استراتژی پیشرفت به دست می‌آیند منتشر شده‌اند. مطمئناً، این سرعت این روش‌ها به طور قابل‌توجهی به افزایش بازده ژنتیکی (genetic gain: GG) کمک کرده‌اند، زیرا این روش‌ها در مخرج معادله GG مداخله می‌کنند، جایی که تغییرات کوچک می‌تواند تأثیرات گسترده‌ای داشته باشد.

یکی از فناوری‌هایی که احتمالاً در دهه 1990 کمتر مورد توجه قرار گرفته بود، اما تأثیر زیادی در اصلاح گیاهان داشت، مهندسی ابزارهای مزرعه‌ای خاص برای انجام تحقیقات است. استقرار کاشت‌کارهای تجربی، خرمن‌کوب، کمباین‌ها و بسیاری از تجهیزات آزمایشگاهی با قیمت مناسب، تأثیر عمیقی بر پرورش گیاهان داشته است. این ابزارها با آزمایش مواد پرورشی بیشتر، شدت انتخاب را به شدت افزایش داده و در عین حال دقت داده‌های جمع‌آوری‌شده را به‌طور چشمگیری بهبود بخشیده و زمان لازم چرخش سریع‌تر برای به کارگیری روش‌های تسریع‌یافته برای اصلاح نباتات را ترجیح داده‌اند.

احتمالاً مخرب ترین فناوری که پرورش دهندگان گیاهان در 25 سال گذشته تجربه کرده اند، دموکراتیک کردن تجزیه و تحلیل های آماری و بیومتریک بوده است. افزایش گسترده ظرفیت محاسباتی مقرون به صرفه به هر پرورش دهنده گیاه اجازه داده است تا تجزیه و تحلیل پیچیده را با سادگی بسیار زیاد انجام دهد. ایجاد بسته های آماری منبع باز به طور چشمگیری تعداد کاربرانی را که برای انجام انتخاب به آنها تکیه می‎کنند افزایش داده است . به موازات آن، ساده سازی تجزیه و تحلیل آماری به بسته های کاربر پسند تضمین کرده است که تجزیه و تحلیل پیچیده تر به طور معمول انجام شود. اثرمتقابل G × E می تواند ارزش واقعی یک ژنوتیپ را تا حد زیادی پنهان کند، اما اکنون با ابزارهای بیوانفورماتیک جدید، اگر به درستی آن را مدل سازی کند، به انتخاب اصلاحگر تبدیل می‎شود. علاوه بر این، مدیریت داده‌ها انقلاب خود را تجربه کرده است و استفاده از داده‌ها در طول سال‌ها، مکان‌ها و آزمایش‌ها را برای اصلاحگران بسیار ساده کرده است تا نتاج واقعاً برتر را در آزمایش‌های خزانه (Nursery trials) انتخاب کنند.

یکی از عناصری که ژنتیک دانان دیدگاه های خود را برای آینده اصلاح نباتات در دهه 1990 نوشتند احتمالاً قادر به توضیح آن نبودند، پذیرش گسترده کشاورزان از روش‎های فن آوری خاکورزی صفر (یا کاهش یافته) و حفظ منابع است. تحقیقات نشان داد که درجه مشخصی از ژنوتیپ با عمل متقابل وجود دارد،، به این معنی که مواد اصلاحی مختلف زمانی که به دنبال روش‌های کشاورزی حفاظتی رشد می‌کنند بهتر یا بدتر پاسخ می‌دهند. سپس برخی از اصلاحگران گیاه به این روش روی آورده اند تا زمینه های انتخابی خود را برای تقلید بهتر از مزرعه داران تراز کنند، و برخی دیگر تصمیم گرفته اند این کار را نکنند. باید دید که آیا این واقعیت بر بازده ژنتیکی در مناطقی که کشاورزی حفاظتی اتخاذ شده است تأثیر گذاشته است یا خیر و آیا تأثیری بر سایرین خواهد داشت یا خیر.

---

1- پروتيين ضد آفت حاصل از ژن Bt‌ از باکتری باسیلوس تورجنسیس با نام Cry كاملا بي‌خطر بوده و تنها در بخش‌هاي سبز گياه توليد مي‌شود.

2- غذاهای اصلاح‌شده ژنتیکی (Genetically modified foods) که همچنین به‌عنوان غذاهای مهندسی ژنتیکی (غذاهای GE) یا غذاهای زیست‌مهندسی نیز شناخته شده‌اند، غذاهایی هستند که از جاندارانی تولید شده‌اند که با استفاده از روش‌های مهندسی ژنتیک تغییراتی در DNA آن‌ها ایجاد شده‌است. فنون مهندسی ژنتیک امکان مقایسه صفات جدید و همچنین کنترل بیشتر صفات را در مقایسه با روش‌های پیشین مانند اصلاح انتخابی و ایجاد جهش فراهم می‌کند.

3- شانگر مولکولی یا مارکر مولکولی (به انگلیسی: Molecular Marker) یک نمونه مولکول است که از یک جاندار گرفته شده‌است. نشانگر مولکولی می‌تواند برای شناسایی ویژگی‌هایی در جاندار نمونه‌گرفته‌شده، به‌کارگرفته شود؛ مانند DNA که یک نشانگر مولکولی شامل اطلاعاتی درباره تبارشناسی، اختلالات ژنتیکی و تاریخ حیات می‌باشد.

4- امواج نزدیک مادون قرمز(NIR)، امواج الکترومغناطیسی هستند که دارای طول موج ۷۸۰ تا ۲۵۰۰ نانومتر می‎باشند. در طیف سنجی NIR، امواج NIR به محصول تابانده شده و امواج بازتاب شده و یا عبوری از محصول اندازه گیری می گردد. تغییرات ایجاد شده در این امواج نسبت به امواج تابانیده شده تابعی از ترکیبات شیمیایی محصول می‎باشد. به منظور استخراج اطلاعات مربوط به کیفیت میوه ها از خروجی طیف سنجی، از روشهای آماری چند متغییره پیشرفته استفاده می گردد. با وجود اینکه در تحقیقات انجام شده از طیف سنجی NIR برای تعیین پارامترهای مختلف کیفی محصولات کشاورزی همچون محتوی جامد محلول(SSC)، اسیدیته، محتوی شکر، سفتی، وزن، درصد رطوبت و … استفاده گردیده است ولی استفاده از این روش در تحقیقات مزرعه ای مانند مونیتور کردن تغییرات شیمیایی محصول در طول دوران رشد در روی درخت، به دلیل اندازه بزرگ و وزن زیاد آنها محدود گشته است.

5- کشت بدون شخم (No Tillage) نوعی عملیات خاک ورزی است که در آن هیچ گونه ادوات خاک ورزی استفاده نمی شود و خاک از مرحله برداشت محصول اول تا کاشت محصول دوم و از کاشت تا برداشت به شکل دست نخورده باقی می ماند. در حقیقت در این نوع عملیات خاک ورزی، بذر مستقیما توسط کارنده های ویژه در خاک کاشته می شود و از این رو مصرف انرژی در این حالت به کم ترین مقدار ممکن رسیده و انرژی گرمایی تولید شده توسط ادوات کشاورزی نیز به کم ترین مقدار ممکن می رسد.

6- کشاورزی حفاظتی یک سیستم کشاورزی است که می‌تواند ضمن بازسازی اراضی تخریب شده، از نابودی اراضی زراعی جلوگیری کند. این روش پوشش دائمی خاک، حداقل اختلاط خاک و تنوع گونه‌های گیاهی را ارتقاء می‌دهد. افزون براین، تنوع زیستی و فرآیندهای بیولوژیکی طبیعی را در سطح و زیر سطح زمین افزایش می‌دهد که به افزایش کارآیی مصرف آب و عناصرغذایی و بهبود و پایداری تولید محصول کمک می‌کند. کشاورزی حفاظتی، شامل حداقل اختلاط مکانیکی خاک و کشت مستقیم بذر، پوشش مالچی آلی از بقایای گیاهی و گیاهان پوششی و تنوع گونه‌های زراعی از طریق تناوب‌ها است. در این شیوه کشاورزی، اختلاط خاک از قبیل بهم زدن مکانیکی خاک به حداقل ممکن کاهش می‌یابد و یا از آن جلوگیری می‌شود. همچنین، ورودی‌های خارجی مانند Agrochemicals و عناصرغذایی گیاه با منشاء معدنی یا آلی به‌صورت بهینه و با شیوه‌ها و مقادیری افزوده می‌شوند که با فرآیندهای بیولوژیکی مداخله و یا آنها را مختل نکنند.

7- برنج طلایی گونه‌ای از برنج می‌باشد. این گونه از دورگه شدن، که روشی قدیمی در کشاورزی برای ایجاد گونه‌های جدید می‌باشد به دست نیامده است؛ بلکه از طریق مهندسی ژنتیک ساخته شده‌است. این گونه، بتا کاروتن، که رنگی نارنجی دارد و پیش ساز ویتامین اِی هست را در قسمت‌های خوراکی تولید و ذخیره می‌کند. به همین علت دانه‌های آن رنگ طلایی دارند. گونه ای تراژن از گیاه برنج می‌باشد که در ژنوم خود دو ژن از گیاه نرگس و یک ژن از نوعی باکتری موجود در خاک دارد.

8- یک جایگاه صفت کمی (QTL) یک جایگاه کروموزومی (بخشی از DNA) است که با تنوع یک صفت کمی در فنوتیپ جمعیت یک جاندار ارتباط دارد. QTLها با مشخص کردن نشانگرهای مولکولی (مانند SNPها یا AFLPها) با یک ویژگی مشاهده‌شده، نقشه‌برداری می‌شوند. این بیشتر یک گام اولیه در شناسایی و تعیین توالی ژن‌های حقیقی است که باعث تنوع در صفات می‌شوند.

9- توالی DNA، فرایند تعیین ترتیب نوکلئوتیدها در یک قطعه DNA است.

10- بهاره‌سازی یعنی دستیابی به توانایی گل‌دهی در بهار با قرار گرفتن در برابر سرمای طولانی زمستان. کلمه Vernalization از کلمه لاتین Vernus به معنی «بهار» گرفته شده‌است.

11- پرورش شاتل رشد دو یا چند نسل در محیط های متضاد برای پیشبرد نسل ها و کوتاه کردن چرخه پرورش است.

12- ریزوترون ها خصوصیات مورفومتری سیستم های ریشه گیاه را به صورت جدا شده یا در ارتباط و همچنین برهمکنش بین گیاهان و میکروارگانیسم های خاک را امکان پذیر می کنند.

13- هیدروپونیک تکنیک رشد گیاهان با استفاده از محلول مغذی مبتنی بر آب به جای خاک است و می تواند شامل یک بستر دانه ای یا محیط های رشد مانند ورمیکولیت، نارگیل یا پرلیت باشد. سیستم های تولید هیدروپونیک توسط کشاورزان کوچک، علاقمندان به سرگرمی و شرکت های تجاری استفاده می شود.

14- فیتوترون یک گلخانه تحقیقاتی محصور است که برای مطالعه برهمکنش بین گیاهان و محیط استفاده می شود. محصول رشته های فیزیولوژی گیاهی و گیاه شناسی بود.

15- Speed Breeding یک فناوری انقلابی برای اصلاح گیاهان است که با استفاده از طول روز، شدت نور، کیفیت نور و دما بهینه برای بهبود تجمع زیست توده و تحریک گلدهی و تولید بذر، زمان تولید را تا حد زیادی کاهش می دهد.

16- به عنوان یکی از مفاهیم مهم در ژنتیک کمی مرسوم و اصلاح نژاد، بازده ژنتیکی را می توان به عنوان میزان افزایش عملکرد سالانه از طریق انتخاب مصنوعی تعریف کرد.

17- نهالستان (خزانه) پرورش چیست؟ جایی که گیاهان در آن رشد می کنند تا زمانی که به اندازه کافی بزرگ شوند تا در موقعیت های نهایی خود کاشته شوند.