بيوتكنولوژي و كاربردهاي آن در كشاورزي (Agricultural Biotechnology)

در دهه ششم از قرن بیستم اصلاح گران نباتات توانستند عملکرد بالایی از واریته های جدید به دست آورده و بدین ترتیب انقلاب سبز (Green Revolution) را به وجود آوردند. اما همزمان با افزایش جمعیت، این افزایش نتوانست کمبود مواد غذایی را جبران کند.
چرا باید نگران اصلاح و بهبود محصولات بود؟
زیرا تخمین زده می شود جمعیت جهان تا سال 2025 به بیش از 8 میلیارد نفر و تا سال 2050 به 11 میلیارد نفر برسد. آیا فکر کرده اید چگونه می خواهید خوراک این مردم را تأمین نمایید؟

انتقادات وارد بر "انقلاب سبز" Green Revolution
    انقلاب سبز گرسنگی را از میان نبرد
    فناوری های آن تنها به سود ثروتمندان بود
    بنابراین انقلاب سبز نابرابری را افزایش داد
    و مهمتر از همه این که انقلاب سبز از جنبه زیست محیطی پایدار نیست

به عنوان مثال هند به دلیل انقلاب سبز در زمینه غلات به خودکفایی رسید. اما یک سوم از مردم آن فقیرند، 5000 کودک در این کشور هر روز می میرند، و فقرا نمی توانند مواد غذایی مورد نیازشان را خرید کنند.

علاوه بر موضوع فوق مشکلات زیر نیز همچنان پابرجا است:
    نیاز به زمین خوب (دارایی مناسب)،
    مضر بودن مواد شیمیایی کشاورزی (Agrochemicals) برای سلامتی و محیط زیست،
    گران قیمت بودن نهاده ها،
    مهاجرت روز افزون مردم روستایی،
    کاهش تعداد مشاغل کشاورزی به دلیل مکانیزاسیون،
    ناپایداری محیط زیست: آلوده شدن خاک از طریق مصرف آفت کش ها و کودها

در نتیجه افزایش عملکرد محصول به دلایل زیر نمی توانست ادامه یابد
    استفاده افراطی از آفت کش ها
    تخلیه آب های زیرزمینی و
    افزایش آلودگی

بنابراین جهان به کشاورزی پایدار نیاز داشت كه دستيابي به آن مستلزم انقلابي ديگر به نام "انقلاب همیشه سبز" يا "Evergreen Revolution" است.

انقلاب سبز بعدی
نورمن بورلاگ یک متخصص آمریکایی علوم زراعی، رقم گندمی در مکزیک تولید کرد که با استفاده از این رقم اصلاح شده و پرمحصول و ارقام مشابه ایجاد شده از روی آن در سایر کشورهای در حال توسعه، تولید مواد غذایی از میزان نیاز جمعیت آن زمان فراتر رفت. این موضوع ضمن نجات جان میلیون ها انسان از گرسنگی و مرگ خصوصاً در کشورهای آسیایی مثل هند باعث جلوگیری از ناهنجاری های اجتماعی، سیاسی و اقتصادی فراوان ناشی از آن گردید و به همین دلیل جایزه صلح نوبل را از آن خود کرد.
نیازهای رو به گسترش بشر در اواخر این قرن موج جدیدی را ایجاد کرد که به آن انقلاب ژن معروف شده است.

کلمه بیوتکنولوژی اولین بار در مجمع سازمان ملل متحد، در شهر لیدز انگلستان و در سال 1920 به کار برده شد. بیوتکنولوژی یکی از مدرن ترین شاخه های زیست شناسی است که مجموعه ای از علوم بیوشیمی، میکروبیولوژی سلولی، بیولوژی، مهندسی ژنتیک و ... را شامل می شود.

سه دوره زمانی را براي تكامل بيوتكنولوژي می توان برشمرد:
1. دورة تاريخي كه بشر با استفاده ناخودآگاه از فرآيندهاي زيستي به توليد محصولات تخميري مانند نان، الكل، لبنيات و سركه پرداخت.
2. دوره اوليه قرن حاضر كه با استفاده آگاهانه از تكنيك هاي تخمير و كشت ميكروارگانيسم ها در محيط هاي مناسب در توليد آنتي بيوتيك ها، آنزيم ها، مواد شيميائي آلي و ساير تركيبات، بشر به گسترش اين علم مبادرت ورزيد.
3. دوره نوين بيوتكنولوژي كه با كمك علم ژنتيك درحال ايجاد تحول در زندگي بشر است.
بيوتكنولوژي نوين مدتي است كه روبه توسعه گذاشته و روز بروز دامنه وسعت بيشتري به خود مي گيرد. اين دوره زماني از سال 1976 با انتقال ژن هایي از يك ميكروارگانيسم به ميكروارگانيسم ديگر آغاز شد.
تا قبل از آن دانشمندان در فرآيندهاي بيوتكنولوژي از خصوصيات طبيعي و ذاتي ميكروارگانيزم ها استفاده مي كردند ليكن در اثر پيشرفت در زيست شناسي مولكولي و ژنتيك و شناخت عميق تر اجزاء و مكانيسم هاي سلولي و مولكولي متخصصين علوم زيستي توانستند به اصلاح و تغيير خصوصيات ميكروارگانيزم ها بپردازند و ميكروارگانيزم هايي با خصوصيات جديد بوجود آوردند تا با استفاده از آنها بتوان تركيبات جديد را با مقادير بيشتر و كارایي بالاتر توليد كنند.

بیوتکنولوژی چیست؟
بيوتكنولوژي مجموعه اي از روش ها است كه براي توليد، تغيير و اصلاح فراورده ها، به نژادي گياهان و جانوران و توليد ميكروارگانيسم ها براي كاربردهاي ويژه، از ارگانيسم هاي زنده استفاده مي كند.
همچنین عبارت است از استفاده کنترل شده از عوامل بیولوژیکی از قبیل میکروارگانیزم ها یا اجزای سلولی برای استفاده مفید از آنها.

پیچیده ترین شاخه بیوتکنولوژی ، مهندسی ژنتیک (Genetic Engineering) می باشد یکی از مهمترین و کاربردی ترین استفاده های مهندسی ژنتیک در کشاورزی تراریزش یا انتقال ژن و تولید گیاهان تراریخته ( Transgenic Plant) می باشد.

مهندسی ژنتیک (Genetic Engineering)
مهندسی ژنتیک یکی از ابزارهای کارآمد بیوتکنولوژی می باشد که هدف از آن، شناخت ساختمان و کارآیی ژن، تولید پروتئین و مواد اولیه مفید دیگر به وسیله روش های متداول و نو ظهور و تولید گیاهان و حیوانات تراریخته با ویژگی های مطلوب می باشد.
یک فناوری یا یک تکنیک است که با استفاده از علوم مختلف طی دست‌ورزی یا دستکاری ژنتیکی موجودات زنده در سطح مولکول DNA تغییراتی در موجودات ایجاد می‌شود. مهندسی ژنتیک بخشی از بیوتکنولوژی مدرن امروزی است که از دهه ۸۰ میلادی به طور جدی مطرح شده است.
اولین جاندار تراریخته در سال 1973 توسط استنلی کوهن و هربرت بویر ایجاد شد. پس از ایجاد اولین موجود تراریخته طی کنفرانسی تحقیقاتی، تصمیماتی جهت کنترل و نظارت بر این تکنولوژی جدید اتخاذ شد، نتیجه این کنفرانس این بود که دستکاری ژنتیکی به شرطی میتواند صورت بگیرد که در حیطه قوانین انستیتوی بین المللی سلامت آمریکا باشد.
در بین کشورهای آسیایی، فیلیپین اولین کشور تولید کننده گیاهان تراریخته (ذرت مولد حشره کش Bt) می باشد.

سطح زیر کشت گیاهان تراریخته
آمارها نشان می دهند که از سال 1996 که گیاهان تراریخته برای اولین بار در مقیاس وسیع کشت شدند تا سال 2003 سطح زیر کشت این گیاهان در جهان به طور مرتب رو به افزایش بوده است، به طوری که سطح زیر کشت گیاهان تراریخته در سال 2003 تا 40 برابر نسبت به سال 1996 افزایش داشته و از 7/1میلیون هکتار در سال 1996 به 7/67 میلیون هکتار در سال 2003 رسیده است.
اگر چه گیاهان تراریخته در 18 کشور کشت می شوند، ولی تعداد کشورهای اصلی تولید کننده محصولات تراریخته در سال 2002، 4 کشور بود که در سال 2003 به 6 کشور رسید. این 6 کشور که تولید کننده حدود 99 درصد محصولات تراریخته دنیا می باشند، عبارتند از آمریکا، آرژانتین، کانادا، برزیل، چین و آفریقای جنوبی.

فواید دستکاری ژنتیک گیاهان زراعی
1. امکان ایجاد واریته ها و گیاهانی را فراهم می کند که دارای صفاتی هستند که دسترسی به آنها از روش های مرسوم غیر ممکن است.
2. منافع اقتصادی و زیست محیطی از جمله کاهش مصرف سموم، کاهش هزینه های تولید و افزایش عملکرد.
GMO (Genetically modified organism) ها یا موجودات زنده دست کاری شده از نظر ژنتیکی، در حال حاضر طرفداران و مخالفان خاص خود را دارند که در ادامه به مهمترین دلایل مخالفت یا موافقت این دو گروه اشاره می گردد.

دلایل طرفداران GMO
1. پیشرفت گسترده کشاورزی از طریق تولید گیاهانی که تحمل بیشتری به بیماری های خاص یا کمبود آب دارند.
2. بهبود ارزش تغذیه ای محصولات زراعی
3. تولید غذای بیشتر از زمین کمتر، درنتیجه تعرض به اراضی کم استعدادتر و تخریب بیشتر محیط زیست کاهش خواهد یافت.

دلایل مخالفان GMO
مخالفان بطور کلی در مورد نتایج نهایی رها شدن موجودات زنده دست ورزی شده، که اغلب پیش بینی نشده و غیر قابل انتظار می باشد و نتایج معکوسی که بر محیط بر جا می گذارد، نگرانند. همچنین کاهش تنوع ژنتیکی، یا کاهش واریته های زراعی به دلیل استقبال بیشتر زارعین از گیاهان تراریخته منتهی به از دست رفتن تنوع در واریته های زراعی میشود. در نهایت این خطر وجود دارد که گونه های وحشی بوسیله ژن های موجودات GM آلوده شوند.

کاربردهای GMO
تولید سوخت دیزل توسط یکسری از باکتری های تراریخت، این نوع سوخت هوا را کمتر آلوده می کند.
تولید الکل توسط گیاهانی مثل ذرت که بعنوان سوخت کاربرد دارد.
استفاده از درختان تراریخته بعنوان مصالح ساختمانی.
تولید دارو با استفاده از گیاهان تراریخته.
تولید گیاهان مین یاب، مثلا یکی از ارقام تراریخته گیاه آرابیدوپسیس پس از رشد در میدان های مین رنگ برگ هایش در اثرگاز دی اکسید نیتروژن متساعد شده از مین ها، از سبز به قرمز تبدیل می شود.

همچنین از جمله موارد استفاده بیوتکنولوژی در صنعت می توان، روند شیرین سازی شکر، تولید ویتامین های آلی و آمینو اسیدها، تولید سوخت متان از فرآورده های پسماند، و توسعه سوخت هیدروژن را نام برد.

جایگاه‌ بیوتکنولوژی‌ در محیط زیست‌ به‌ قدری‌ حایز اهمیت‌ گردیده‌ است‌ که‌ شاخه‌ جدیدی‌ از بیوتکنولوژی‌ به‌ نام‌ Bioremediation به‌ وجود آمده‌ است‌ که‌ عبارت‌ از علم‌ استفاده‌ از باکتری‌ها و میکروارگانیسم‌ها در پاکسازی‌ آلودگی‌های‌ محیطی‌ است‌. بیوتکنولوژی‌ درحوزه‌ محیط زیست‌ می‌تواند در یافتن‌ نژادهای‌ مؤثر برای‌ تصفیه‌ بهتر فاضلاب‌، خاک‌های‌ آلوده‌ و بقایای‌ نفتی‌ کمک‌ کند. دانش‌ بیوتکنولوژی‌ درکاهش‌ اثرات‌ مخرب‌ کشاورزی‌ بر محیط، حفظ خاک‌ و استفاده‌ بهینه‌ از منابع‌ کشاورزی‌ گام های مناسبی را‌ برداشته‌ است‌.

برخی‌ از دیگر کاربردهای‌ بیوتکنولوژی ‌را می‌توان‌ بصورت‌ ذیل‌ عنوان‌ کرد:
توسعه ظرفیت تثبیت نیتروژن در گیاهان غیر لگومینوز (مهندسان ژنتیک در حال کار کردن بر روی انتقال ژن در گیاهان غیر لگومینوز بوسیله استفاده از ناقل هستند).
مراقبت از گیاهان در مقابل بیماری های گیاهی (گیاهانی مثل پایه نیشکر که از کشت بافت مریستمی به دست می آیند مقاومت بالایی نسبت به بیماری ها دارند).
توسعه گونه های جدید به وسیله گداختن پروتوپلاسم یا پروسه کلون سازی
گیاهان تراریخت برای تولید بذور خاتمه دهنده (به تکنولوژی که قابلیت حیات یا باروری بذور را پس از یک مدت معین خاتمه می دهد، خاتمه دهنده یا Terminator technology می گویند. بدین ترتیب شرکت تولید کننده، بذور نسل اول را می فروشد اما بذور و یا میوه های حاصل از این گیاهان فقط به عنوان غذا قابل استفاده هستند و اگر کشت شوند جوانه نخواهد زد).
گیاهان تراریخت به عنوان بیو راکتورها (برای تولید ارزان مواد شیمیایی و دارویی که این پدیده به زراعت مولکولی یا Molecular farming معروف می باشد).
تولید پلاستیک قابل تجزیه زیستی (Biodegradable plastic)
استفاده‌ از آنزیم‌ها در تولید مواد شیرین‌ کننده‌ تولیدات‌ غذایی‌ انسان
کنترل‌ و دفع‌ آفات‌ گیاهی‌ و تهیه‌ انواع‌ کودهای‌ زیستی‌ و حشره‌کش‌های‌ میکروبی
تولید ترکیبات‌ مؤثر و مهم‌ گیاهی‌ از راه‌ کشت‌ انبوه‌ سلولی‌
استفاده‌ از گیاهان‌ به‌ عنوان‌ عوامل‌ و منابع‌ تولید محصولات ‌زیست‌شناسی‌ و شیمیایی
مطالعه‌ فرآیندهای‌ رشد و نمو و تمایز آن
مقاومت به تنش های زنده (حشرات، ویروس ها و بیماری های قارچی و باکتریایی)
مقاومت به تنش های غیر زنده
مقاومت به علف کش ها
گیاهان تراریخت برای بهبود کیفیت (انبارداری)
گل های تراریخت برای رنگ گل
گیاهان تراریخت برای نر عقیمی
اصلاح‌ ژنتیک‌ بذر و دانه‌های‌ روغنی‌
کاهش‌ اثرات‌ مخرب‌ کشاورزی‌ بر محیط خاک‌
غنی‌سازی‌ خاک‌ و حاصلخیز کردن‌ آن‌ با استفاده‌ از میکروارگانیسم‌های‌ تثبیت‌ کننده‌ ازت‌ و قارچ‌ میکوریزا
استفاده‌ از ایجاد مصونیت‌ برخی‌ مواد شیمیایی‌ گیاهان‌ در برابر امراض‌ مزمن‌ انسانی
تهیه‌ نوعی‌ آلبومین‌ انسانی‌ در گیاهان‌ با دستکاری‌های‌ ژنتیکی
استفاده‌ از هورمون‌های‌ رشد در دام‌ها
تلقیح‌ مصنوعی‌ دام‌ها و بهره ‌گیری‌ از صفات‌ برتر ژنتیکی‌ در روش های‌انتقال‌ جنین
کاربرد در صنایع‌ غذایی‌ تبدیلی‌ و کاهش‌ هزینه‌های‌ تولید مواد غذایی
تهیه‌ و تولید واکسن‌های‌ مفید و جدید برای‌ پیشگیری‌ از عفونت‌های ‌مرگ‌آور در دام‌ها و طیور

و جدیدترين كاربردهاي بیوتکنولوژی نيز عبارتند از:
توليد داروهای جدید برای درمان بیماری ها
توليد واکسن هاي جدید
توليد آنزیم هايی براي استفاده در مواد غذایی، کشاورزی و صنعتی
ميکروب ها و گیاهاني كه به تمیز کردن محیط های آلوده كمك مي كنند

نسل اول محصولات بیوتکنولوژيكی
سویاي Roundup Ready : مقاوم به طیف گسترده ای از علفکش ها
اين نوع سویا در سال 1996 معرفی شد. در حال حاضر برای 85 درصد از دانه های سویا ایالات متحده از اين نوع اند. اين محصول موجب بهبود کنترل علف های هرز و کاهش هزینه کنترل علف های هرز شده و با عمليات كشت بدون شخم سازگار است.

ذرت BT: مقاوم در برابر كرم دانه خوار ذرت اروپايي
اين محصول با توليد نوعي پروتئین سمي لارو دانه خوار ذرت اروپایی را از بين مي برد و در حال حاضر 30 درصد از سطح زیرکشت ذرت در آمریکا را تشكيل مي دهد.

پنبه BT : مقاوم در برابر کرم جوانه و کرم غوزه
از نوعي پروتئین سمي BT براي محافظت در برابر کرم غوزه و کرم جوانه استفاده مي نمايد، به طور گسترده ای با شرايط ایالات متحده و جاهای دیگر انطباق دارد و استفاده از حشره کش ها را به مقدار زيادي كاهش مي دهد.

وضعيت پراكنش محصولات تراريخته

با عنايت به دستاوردها و توانمندي‌هاي ويژه بيوتكنولوژي، بايستي در كشور ما نيز همچون ساير كشورها، توسعة بيوتكنولوژي گامي مهم در جهت رسيدن به استقلال و خودكفايي اقتصادي، به خصوص در بخش كشاورزي و تأمين احتياجات جمعيت روبه رشد دانسته مي‌شد، اما مرور فعاليت‌هاي كشور در زمينه بيوتكنولوژي بيانگر اين واقعيت است كه روند رشد اين فناوري در كشور بسيار كند بوده است و هنوز نتوانسته‌ايم به نقطه مطلوب و شايسته در اين زمينه دست يابيم.
اگر چه ايران طي چند سال اخير توانسته است گام‌هاي بلندي براي كسب دانش فني، تهيه تجهيزات مورد نياز اين فناوري و كاهش فاصله با جهان بردارد؛ اما با توجه به سرعت بسيار بالاي پيشرفت اين علم، اين سرمايه‌گذاري‌ها به هيچ ‌وجه كافي نبوده است.
اين در شرايطي است كه كشور از نقاط قوت و توانمندي‌هاي بالقوه بسيار زيادي در اين زمينه برخوردار است. وجود مراكز و موسسات تحقيقاتي معتبر و نيروي متخصص ماهر كه بعضاً از فرصت‌هاي اندك استفاده كرده و دستاوردهاي پژوهشي و حتي توليدي قابل‌توجهي نيز براي كشور به ارمغان آورده‌اند، از جمله اين توانمندي‌ها مي‌باشند. از سوي ديگر، نيازهاي كشور در حوزه‌هاي استراتژيك امنيت غذايي، بهداشتي و زيست‌محيطي موجبات توجه بسيار بيشتر به گسترش اين فناوري راهبردي را فراهم مي‌نمايد.