الإختبار الحقلي للقمح المحول وراثياً
بجين الـ HVA1
لتحمل الجفاف
أحمد
بهي الدين* هشام أحمد طه محفوظ* هالة فوزي السقا عيسى* أسامة مصلحى صالح مصطفى*
هنية
عباس أحمد الأتربى* إسماعيل عبد المنعم أحمد** مجدي أحمد مدكور***[1]
الملخص :
جين الـ HVA1 هو جين معزول من الشعير يشفر لأحد البروتينات التي تتكون مع
نهاية مرحلة نضج الجنين (Late Embryonic Abundant Protein, LEA) وبالتالي فإنه يساعد على تحمل الجنين لنقص المياه أثناء مرحلة صلابة
الحبة. وهذا الجين قد تم إدخاله إلى
خلايا الأجنة غير الناضجة لأحد أصناف القمح الربيعية
المنزرعة (Triticum
aestivum L.)كهدف لعملية التحول الوراثي بإستخدام قاذفة الجينات Gene
gun وذلك لزيادة قدرة نباتات هذا الصنف على تحمل الجفاف. وتم
إستخدام جين الـ bar
للمقاومة لأحد مبيدات الحشائش المسمى بالـ basta كدليل إنتخابى أثناء مراحل زراعة الأنسجة المختلفة وتحديد
النباتات المحولة وراثياً واختبار نقاوة التركيب الوراثي للجين الأساسي.
وتم
إجراء عدد ست تجارب حقلية لنسل ثلاثة نباتات محولة وراثياً مقارنة بالصنف الأصلي
غير المحول وراثياً. وخلال الموسمين الأولين، كانت النباتات المعرضة للإجهاد البيئي
تروى مرة واحدة فقط خلال موسم النمو بعد الإنبات بينما تم ري النباتات المقارنة
ثماني مرات طوال موسم النمو وهذا هو المعدل الطبيعي لري
القمح.
وقد أظهرت النتائج عدم وجود فروق معنوية في المحصول بين نسل النباتات المحولة
وراثياً تحت ظروف الإجهاد البيئي وتلك تحت ظروف الري العادية. وفى الموسم الثالث
تم إجراء تجربة حقلية تحت الزراعة المطرية في أربعة مواقع صحراوية على
امتداد الساحل الشمالي لجمهورية مصر العربية
تتفاوت
في معدل نزول الأمطار بها، وقد أظهرت نتائج المحصول البيولوجي ومحصول الحبوب تفوق
نسل أحد النباتات المحولة وراثياً تحت ظروف ري الأمطار على مثيله غير المحول
وراثياً. وجارى الآن نقل هذا الجين بطرق التربية
التقليدية إلى عدد من الأصناف المنزرعة. كذلك بدأت تجارب الأمان الغذائي وكذلك
دراسة السوق المحلى المصري لمعرفة مدى قبول نواتج
التكنولوجيا الحيوية لدى المستهلكين.
المقدمة :
تعتبر
المساحات المنزرعة في مصر محدودة نتيجة لنقص المياه. لذلك فمن المهم توسيع الرقعة
الزراعية في مصر عن طريق زراعة أراضى جديدة بمحاصيل
اقتصادية لها القدرة على النمو في ظروف نقص المياه وذلك لمواجهة الزيادة المطردة للسكان.
وعند
استخدام التكنولوجيا الحيوية جنباً إلى جنب مع طرق التربية التقليدية فإنه يمكن حل
هذه المشكلة. وقد أوضحت الدراسات الحديثة في مجال بحوث التحول الوراثى إلى أنه
يمكن نقل جينات من انواع مختلفة إلى القمح المنزرع للحصول على صفات محصولية مرغوبة
مثل صفة تحمل الجفاف. وكان أحد هذه الجينات هو جين الـ HVA1 المعزول من الشعير وهو المسئول عن التشفير لأحد بروتينات الـ LEA والذى يتراكم أثناء نضج الحبوب.
وفي دراسة سابقة ، ذكر Xu et al. (1996) أن نباتات الأرز المحولة بجين الـ
HVA1
كانت متفوقة في صفتي الطول ووزن الجذور عن الصنف الأصلى غير المحول
وراثياً. وقد
رصد White and Rivin (1995) عدداً من الجينات الأخرى
المشفرة لهذا النوع من البروتينات عند تعرض النباتات
للإجهاد المائى. وفي دراسة سابقة
،
تم إدخال هذا الجين للقمح وأظهرت عدد من النباتات المحولة وراثياً
تحملاً عالياً للجفاف تحت ظروف الصوبة (Sivamani
et al., 2000). ونحن الآن بصدد
إجراء الاختبار الحقلى لنسل
عدد ثلاثة
نباتات محولة وراثياً.
الطريقة البحثية :
تم عمل بلازميد pAB1 يحتوى على التتابع الكامل لجين الـ HVA1 (Hong et al.,
1988) تحت تحكم محفز ubi وجين الـ bar (De Block et al., 1987) المسئول عن مقاومة أحد مبيدات الحشائش (basta) تحت تحكم المحفز 35S وإنترون Adh1 (شكل 1). ويعتبر هذا البلازميد بمثابة الناقل لهذه الجينات إلى
خلايا الأجنة غير الناضجة في القمح.
شكل رقم (1) : خريطة
البلازميد pAB1
المستخدم في التحول الوراثي.
وعزلت
هذه
الأجنة من حبوب القمح ، صنف Hi-Line (Lanning et
al., 1992) وهو صنف ربيعى أمريكى ووضعت كهدف لإجراء
التحول
الوراثى باستخدام قاذفة الجينات(Bio-Rad,
وتم تصميم تجربتي الموسمين الأولين في
قطاعات منشقة في ثلاث مكررات وتم زراعة تجارب الموسم الثالث في تصميم قطاعات كاملة
العشوائية تحتوى على ست مكررات. وخلال هذه
المواسم الثلاثة ، تم أخذ البيانات التالية: وزن الحبوب/نبات
(جم) والمحصول البيولوجى/نبات (جم)
في
الموسم الأول، طول النبات (سم) ووزن الحبوب/نبات (جم) في الموسم الثانى، طول
النبات (سم) والمحصول البيولوجي/نبات (جم) ووزن الحبوب/نبات (جم) في الموسم
الثالث. وقد تم تحليل النتائج المتحصل عليها إحصائياً تبعاً لــ
Gomez and Gomez (1984).
نتائج البحث
والمناقشة:
يتيح الحصول على أكثر من نبات
محول وراثياً بنفس الجين الفرصة لاختبار أفضل هذه النباتات من ناحية تعبير الجين
مع عدم التأثير على بقية الصفات المحصولية الأخرى. ومن خلال القراءات المأخوذة في
المواسم الثلاثة التى تمت فيها الاختبارات ،
لم
تظهر أية فروق معنوية تحت الظروف الطبيعية بين
النباتات المحولة وراثياً وغير المحولة وراثياً سواء
من ناحية الاستجابة للأمراض أو تاريخ النضج
أو بقية الصفات المحصولية.
وقد تم تلخيص النتائج المتحصل عليها في موسم
2000/2001 للنباتات الثلاثة
المحولة وراثياً والخاصة بصفتى المحصول البيولوجى/نبات ومحصول الحبوب/ نبات تحت
ظروف الري العادية وظروف الجفاف في الجدول رقم (1). وظهر من النتائج أن النبات المحول وراثياً
1/2 قد أعطى أعلى محصول بيولوجى ووزن حبوب/نبات تحت ظروف الرى العادية وكانت 109.69، 21.07 جم، على الترتيب. وكان النبات 11/2 أكثرالنباتات اختزالاً في صفتى المحصول البيولوجى/نبات
ووزن الحبوب/نبات تحت ظروف الإجهاد البيئى وبالتالى فقد تم استبعاده من التجارب
التالية.
جدول رقم (1) : متوسطات
المحصول البيولوجي/نبات (جم) ووزن الحبوب/نبات (جم) لنسل ثلاثة نباتات محولة
وراثياً (1/1، 111/1، 11/2) تحت ظروف الري العادية (T1)
وظروف الجفاف (T2)
في موسم 2000/2001.
|
Genotype |
Biological
yield/plant (g) |
|
Grain
yield/plant (g) |
||||||
|
T1 |
T2 |
Average |
Reduction% |
|
T1 |
T2 |
Average |
Reduction% |
|
|
1/1 |
92.71 |
79.43 |
86.07 |
14.32 |
|
18.31 |
14.21 |
16.26 |
22.35 |
|
111/1 |
108.66 |
78.74 |
93.70 |
27.54 |
|
19.03 |
14.63 |
16.83 |
23.11 |
|
11/2 |
109.69 |
73.51 |
91.60 |
32.98 |
|
21.07 |
14.68 |
17.88 |
30.33 |
|
Average |
103.69 |
77.23 |
|
|
|
19.47 |
14.51 |
|
|
|
LSD at 5% for Irrigation (I) |
14.13 |
|
|
|
|
3.82 |
|
||
|
Genotypes (G) |
NS |
|
|
|
|
NS |
|
||
|
I x G |
NS |
|
|
|
|
NS |
|
||
وبالنسبة لنتائج طول النبات ومحصول
الحبوب/نبات في موسم 2001/2002 للنباتات المحولة وراثياً 1/1، 111/1 مقارنة بالصنف
الأصلى غير المحول وراثياً فقد تم تلخيصها في جدول 2. وقد أوضحت النتائج أن كلا
الصفتين
قد تأثرتا
بدرجة أعلى تحت ظروف الجفاف. وكانت النسبة المئوية للاختزال في ارتفاع النبات تحت
ظروف الجفاف هى 6.08، 10.66، 10% للنباتات
111/1، 1/1 والصنف الأصلى، على الترتيب. بينما كانت قيم محصول الحبوب/نبات هى
54.83، 54.00، 57.00%، للنباتات
الثلاثة ، على الترتيب مما يوضح أن الصنف الأصلى غير المحول
وراثياً كان أكثر تأثراً في كلا الصفتين
عن النباتين المحولين وراثياً.
جدول
2. متوسطات طول النبات (سم) ووزن الحبوب/نبات (جم) لنسل نباتين محولين وراثياً
(1/1، 111/1) بالإضافة للصنف
الأصلي تحت ظروف الري العادية (T1) وظروف الجفاف (T2) في موسم 2001/2002.
|
Genotype |
Biological
yield/plant (g) |
|
Grain
yield/plant (g) |
||||||
|
T1 |
T2 |
Average |
Reduction% |
|
T1 |
T2 |
Average |
Reduction% |
|
|
1/1 |
106.7 |
95.33 |
101.00 |
10.66 |
|
30.21 |
13.77 |
21.99 |
54.00 |
|
111/1 |
105.8 |
99.37 |
102.60 |
6.08 |
|
31.89 |
14.41 |
23.15 |
54.83 |
|
Wild type |
103.4 |
92.63 |
98.02 |
10.00 |
|
28.96 |
12.52 |
20.74 |
57.00 |
|
Average |
105.3 |
95.78 |
|
|
|
|
|
|
|
|
LSD at 5% for Irrigation (I) |
2.22 |
|
|
|
|
2.94 |
|
||
|
Genotypes (G) |
2.72 |
|
|
|
|
NS |
|
||
|
I x G |
NS |
|
|
|
|
NS |
|
||
وفي
الموسم الثالث ،
تم اختبار نفس
التراكيب الوراثية في أربعة مواقع تروى على المطر وتم أخذ القراءات على ثلاث صفات
هى ارتفاع النبات، المحصول البيولوجى/نبات ومحصول الحبوب/نبات كما هو موضح في جدول
(3). وكما
هو متوقع فقد ظهرت فروق معنوية بين المواقع التى تتباين فيها كمية الأمطار وبين التراكيب الوراثية وكذلك على مستوى التفاعل بين الموقع وكل تركيب وراثي بالنسبة لصفة ارتفاع النبات.
وكانت أقل قيمة في موقع الجورة الذي تعرض لجفاف شديد (35.43 سم) يتبعه موقع الخروبة (49.69 سم) ثم موقع رأس الحكمة
(52.77 سم) بينما كانت أعلى قيمة في موقع رفح الذى لم يتعرض للجفاف
الشديد (83.52
سم).
وأظهر التركيب الوراثى 111/1 أعلى متوسط طول نبات في المواقع الأربعة مقارنة
بالصنف الأصلى بينما أعطى التركيب الوراثى 1/1 متوسط طول نبات أعلى في ثلاثة مواقع من الأربعة مما يدل على ان
النباتين المحولين وراثياً كانا أفضل في تلك الصفة من التركيب الأصلى تحت ظروف
الجفاف. وبالنسبة
لصفة المحصول البيولوجى/نبات ،
فقد ظهر إختلاف معنوي بين المواقع الأربعة وكذلك في
التفاعل بين التركيب الوراثى والموقع.
جدول 3. متوسطات طول
النبات (سم) والمحصول البيولوجي/نبات (جم) وزن الحبوب/نبات
(جم) لنسل نباتين محولين وراثياً (1/1، 111/1) بالإضافة للصنف الأصلي تحت ظروف الزراعة
المطرية في أربعة مواقع في موسم 2002/2003.
|
Location |
||||||
|
|
Rafah |
Kharoba |
El-Gouhra |
Ras
El-Hekma |
Average |
|
|
Rainfall |
260
mm |
200
mm |
150
mm |
180
mm |
|
|
|
Genotype |
Plant
height (cm) |
|||||
|
1/1 |
84.77 |
49.20 |
34.63 |
53.67 |
55.57 |
|
|
111/1 |
84.57 |
50.90 |
36.33 |
52.77 |
56.14 |
|
|
Wild type |
81.23 |
48.97 |
35.33 |
51.87 |
54.35 |
|
|
Average |
83.52 |
49.69 |
35.43 |
52.77 |
|
|
|
Biological
yield/plant (g) |
||||||
|
1/1 |
22.54 |
11.15 |
1.43 |
5.02 |
10.04 |
|
|
111/1 |
21.13 |
12.31 |
1.29 |
5.12 |
9.97 |
|
|
Wild type |
21.05 |
11.41 |
1.15 |
4.95 |
9.64 |
|
|
Average |
21.57 |
11.62 |
1.29 |
5.03 |
|
|
|
Grain
yield/plant (g) |
||||||
|
1/1 |
4.23 |
2.14 |
0.29 |
1.59 |
2.06 |
|
|
111/1 |
4.21 |
2.22 |
0.27 |
1.57 |
2.07 |
|
|
Wild type |
3.59 |
1.99 |
0.24 |
1.41 |
1.81 |
|
|
Average |
4.01 |
2.11 |
0.27 |
1.52 |
|
|
|
LSD at 5% for |
|
Plant
height |
Biological
yield/plant |
Grain
yield/plant |
|
|
|
Location (L) |
|
1.34 |
0.73 |
0.21 |
|
|
|
Genotypes (G) |
|
0.83 |
NS |
0.11 |
|
|
|
L x G |
|
1.66 |
0.92 |
0.22 |
|
|
وبالنسبة لصفة وزن
الحبوب/نبات ، فقد ظهرت فروق معنوية على مستوى المواقع
الأربعة حيث كانت 4.01، 2.11، 0.27 و 1.52 جم/نبات في مواقع رفح،
الخروبة، الجورة، رأس الحكمة، على الترتيب (جدول 3).
ويتضح
أن صفة وزن الحبوب/نبات قد انخفضت بشكل واضح في موقع
رأس الحكمة وهو
الموقع الذى
تعرض للجفاف الشديد بينما كانت النتائج أفضل في موقع رفح
وبالتالى أعطت أحسن محصول مقارنة بالمواقع الثلاثة الأخرى. وعموماً فقد تفوق كلا التركيبين
الوراثيين 111/1، 1/1 معنوياً بالنسبة لمحصول الحبوب/نبات مقارنة بالصنف الأصلى
غير المحول وراثياً تحت ظروف الرى بالمطر حيث أعطت قيم 2.07، 2.06 جم ،
على الترتيب مقارنة
بـ 1.81 جم للصنف الأصلى بغض النظر عن الموقع.
وقد تفوق كلاُ من النباتين المحولين وراثياً في موقع رفح بنسبة 17.41 و17.86% ،
على الترتيب. ووجد نفس الإتجاه في النتائج في المواقع الأخرى ولكن دون وجود فروق
معنوية حيث أعطى النباتان 111/1 ، 1/1 محصول حبوب أعلى من الصنف الأصلى بـ 11.36 و
7.44، 14.68 و 22.95، 11.36 و12.85% وذلك في مواقع الخروبة، الجورة، رأس الحكمة،
على الترتيب.
ويتضح مما سبق الدور
الكبير الذي تلعبه مجموعة بروتينات LEA في حماية النبات من الجفاف عند نقل أحد جيناتها
بطرق الهندسة الوراثية .ويتم حالياً إدخال هذا الجين في خمسة أصناف من الأقماح
المصرية
المنزرعة التي تتميز بصفات اقتصادية هامة عن طريق التهجين والتهجين الرجعى. كما
يتم التركيز حالياً على دراسات تكنولوجيا الحبوب واختبارات الأمان الغذائي لكي يتم
تسويق هذا المنتج كأحد أول المنتجات المحولة وراثياً في السوق المحلى.
المراجع
1. Anand, A., Zhou, T., Trick, H.N., Gill, B.S., Bockus,
W.W. and Muthukrishnan S. 2003. Greenhouse and field testing of transgenic
wheat plants stably expressing genes for thaumatin-like protein, chitinase and
glucanase against Fusarium graminearum. J. Exp.
Bot., 54: 1101-1111.
2. De Block, M., Botterman, J., Vandewiele, M., Dockx, J.,
Thoen, C., Gossele, V., Rao Movva, N., Thompson, C., Van Montagu, M. and
Leemans, J. 1987. Engineering herbicide resistance in plants by expression of a
detoxifying enzyme. EMBO J., 6: 2513-2518.
3. Gomez, K.A. and Gomez, A.A. 1984. Statistical procedures
for agricultural research, John Wiley and sons Inc.,
4. Hong, B., Uknes, S.J. and Ho, T.-H.D. 1988. Cloning and
characterization of a cDNA encoding a mRNA rapidly-induced by
5. Lanning, S.P., Talbert, L.E., McNeal, F.H., Alexander,
W.L., McGuire, C.F., Bowman, H., Carlson, G., Jackson, G., Eckhoff, J.,
Kushnak, G., Stewart, V. and Stallknecht, G. 1992. Registration of “Hi-Line”
wheat. Crop Sci., 32: 283-284.
6. Sivamani, E., Bahieldin, A., Wraith, J.M., Al-Niemi, T.,
Dyer, W.E., Ho, T.-H.D. and Qu, R. 2000. Improved biomass productivity and
water use efficiency under water deficit conditions in transgenic wheat
constitutively expressing the barley HVA1 gene. Plant Sci., 1-9.
7. White, C.N. and Rivin, C.J. 1995. Sequence and regulation
of a late embryogenesis abundant group 3 protein of maize. Plant Physiol.,
108: 1337-1338.
8. Xu, D., Duan, X., Wang, B., Hong, B., Ho, T.-H.D. and Wu,
R. 1996. Expression of a late embryogenesis abundant protein gene, HVA1, from
barley confers tolerance to water deficit and salt stress in transgenic rice.
Plant Physiol., 110: 249-257.
9. Zhou, H., Berg, J.D., Blank, S.E., Chay, C.A., Chen, G.,
Eskelsen, S.R., Fry, J.E., Hoi, S., Hu, T., Isakson, P.J., Lawton, M.B., Metz,
S.G., Rempel, C.B., Ryerson, Sansone, A.P., Shook, A.I., Starke, R.J., Tichota,
J.M. and Valenti, S.A. 2003. Field efficacy assessment of transgenic roundup
ready wheat. Crop Sci., 43: 1072-1075.