بررسی جنبه‌های گوناگون بیوتکنولوژی در کشاورزی و اثرات آن در توسعه محصولات زراعی

مقدمه

کشاورزی، رشته‌ای در حال گسترش و ظهور است. رشد جمعیت انسانی و در پی آن، تقاضا برای غذا به سرعت رو به افزایش است؛ به طوری که تخمین زده شده که در سال 2057، جمعیت ساکن بر روی کره زمین به حدود 10 میلیارد نفر خواهد رسید. بنابراین، علاوه‌بر در نظر گرفتن تمهیدات مورد نیاز برای مراقبت‌های بهداشتی و نیازهای دارویی، لازم است منابع غذایی بیشتری در اختیار جمعیت انسانی در حال رشد قرار بگیرد و این در حالی است که امکانات موجود برای گسترش سطح زراعی و زمین‌های کشاورزی با محدودیت‌هایی مواجه است. از طرفی، این افزایش جمعیت ، به تهدید بزرگی برای امنیت جهان تبدیل شده است.
به کارگیری هر فناوری جدید در زمینه کشاورزی برای رفع مشکلات مربوط به تأمین غذا، باید شیوه‌های پایداری را برای تولیدکنندگان به همراه داشته باشد، که یکی از این را‌ه‌ها، استفاده از بیوتکنولوژی در کشاورزی است.
بیوتکنولوژی یکی از حوزه‌های علمی است که رشد سریع آن به دنبال توسعه در زمینه‌های علمی گوناگونی همچون ژنتیک مهندسی، پیشرفت‌های بزرگی را در زمینه‌های مختلف کشاورزی، پزشکی، داروسازی، صنعت و علوم محیط زیست بوجود آورده است. در واقع، بیوتکنولوژی را می‌توان علم و فناوری استفاده صلح‌آمیز و بشردوستانه از زندگی و مسائل مرتبط با رفاه انسان و حفاظت از محیط زیست به شمار آورد، که همراه آن، توسعه فناوری در زمینه کشاورزی نیز در نظر گرفته می‌شود که در این حوزه، طیف وسیعی از کاربردها مانند تولید و افزایش کیفیت و ایمنی مواد غذایی و رفاه حیوانات را شامل می‌شود.

بیوتکنولوژی، باعث بهبود روند تولید، صرفه‌جویی در زمان و هزینه و کاهش استفاده از روش‌های شیمیایی می‌گردد. کشاورزی بیوتکنولوژی، نقش مهم و مؤثری در رشد اقتصاد پایدار به ویژه در کشورهای در حال توسعه دارد.
وزارت کشاورزی ایالات متحده (USDA)، استفاده از بیوتکنولوژی را ابزاری برای توسعه محصولات جدید، یا اصلاح محصولات موجود و بهبود رشد و یا استفاده از گیاهان و حیوانات و میکروارگانیسم‌ها برای مزایایی همچون افزایش بهره‌وری محصولات، افزایش حفاظت از محصولات موجود، بهبود پردازش مواد غذایی و تولید بهتر تلقی می‌کند.
اصطلاحی به نام “بیوتکنولوژی کشاورزی” در این میان وجود دارد که به طور کلی، مجموعه‌ای از تکنیک‌های علمی است که برای بهبود گیاهان استفاده می‌شود و یکی از راه‌های افزایش بهره‌وری کشاورزی است. کاربردهای بیوتکنولوژی در زمینه کشاورزی و گیاهان، شامل مواردی است که به آن‌ها اشاره می‌شود:
_ بذر مصنوعی: موادی که تحت عنوان مواد ریزازدیادی شناخته می‌شوند، مانند جنین سوماتیک، جوانه ساقه، نوک ساقه و کالوس‌های جنینی (Embryogenic callus) شکل گرفته، در شرایط آزمایشگاهی (Invitro) در ژل قرار داده می‌شوند. مواد مغذی و سایر مواد افزودنی در طی این فرایند، به عنوان بذر مصنوعی تعیین می‌شوند. این رویکرد در محصولاتی مانند انبه، موز و سایر بسیاری از محصولات دیگر قابل استفاده است.
_ کشت بافت گیاهی: بازسازی یک گیاه از سلول توتی‌پوتنت یا همه‌توان، کشت بافت گیاهی نامیده می‌شود. این روش، برای تولید گیاه عاری از بیماری بسیار مفید است.
_ نجات و کشت جنین: این تکنیک در واقع نقطه عطفی است در غلبه بر موانع پس از لقاح در طول هیبریداسیون و لقاح گونه‌های دور از هم. این تکنیک در زمینه‌هایی با موفقیت رو به شده، مواردی چون تلاقی موفق دو گونه Musa acuminate و Musa bulbisiana.
– کودهای زیستی: فسفات و نیتروژن دو عامل مهم تغذیه‌ای و رشدی در موجودات به خصوص در گیاهان هستند. این ترکیبات، به صورت طبیعی در محیط یافت می‌شوند؛ اما نکته قابل توجه این است که گیاهان توانایی محدودی در استخراج و استفاده مستقیم از آن‌ها را دارند.
فسفات، عنصری است که نقش بسیار مهمی در تحمل تنش گیاهی، بلوغ، کیفیت و به طور مستقیم یا غیرمستقیم در تثبیت نیتروژن دارد.
به اثبات رسیده است که قارچ پنی‌سیلیوم biiaii در جداسازی فسفات از خاک نقش مؤثری دارد؛ و کود ساخته شده از این ارگانیسم هنگامی که همراه بذرها در داخل زمین قرار گیرد، می‌تواند در رساندن این عنصر مهم به گیاه طی فرایند رشد، کمک به سزایی نماید.
همچنین، ریزوبیوم یک باکتری مفید برای تثبیت نیتروژن در خاک است که در تولید کودهای زیستی به کار می‌رود.

فرمولاسیون تولید کودهای زیستی

کودهای زیستی، به گیاهان در دسترسی به ماده غذایی کمک می‌کنند. در منطقه ریزوسفری گیاه معمولاً چندین نوع میکروارگانیسم وجود دارد که در ساخت و فرمول کودهای زیستی به کار می‌روند؛ از جمله باکتری‌ها تثبیت‌کننده نیتروژن خاک (مانند ازتوباکتر، ریزوبیوم)، و سیانوباکتری‌های تثبیت‌کننده نیتروژن (Anabaena) ، باکتری‌های حل‌کننده فسفات (Pseudomonas sp) و قارچ‌های AM . به طور مشابه، باکتری‌های تولید کننده فیتوهورمون (اکسین) و میکروارگانیسم‌های سلولولیتیک (Cellulolytic bacteria) . در طی این فرمولاسیون، برخی فرایندهای میکروبی برای افزایش دستیابی به مواد مغذی به صورتی که برای گیاه قابل جذب و استفاده باشد، افزایش می‌یابند.
کودهای زیستی، منابعی کم‌هزینه و تجدیدپذیر از مواد مغذی مورد نیاز گیاهان هستند. این سویه‌های میکروارگانیسم‌های مفید خاک، در آزمایشگاه کشت و با حامل مناسبی بسته‌بندی می‌گردند. هم‌چنین، این کودها، حامل ماده‌ای مانند ذغال سنگ نارس، پودر لیگنیت، ورمیکولیت، خاک رس، تالک، سبوس برنج، ذغال چوب، خاک، گلوله سنگ فسفات، کمپوست کاه شلتوک، سبوس گندک و یا مخلوطی از این مواد هستند که ماندگاری بهتر کودهای زیستی را افزایش می‌دهند، و باعث حفظ سلامت خاک، کنترل بیماری‌های منتقله از خاک و خواص خاک و کاهش آلودگی محیط زیست (که توسط مواد شیمیایی به جریان کشاورزی وارد می‌شوند) می‌گردند.
استراتژی‌های به کار رفته در فرمولاسیون کودهای زیستی، شامل “بهینه‌سازی فرمول کودهای زیستی؛ استفاده از کود زیستی مایع؛ کاربرد گرما؛ استفاده از سویه‌های مقاوم به خشکی و اصلاح‌شده ژنتیکی” است که در طی این مکانیسم، ارتباط میکروارگانیسم‌ها با گیاهان زراعی مورد بررسی قرار می‌گیرد.

_ علف‌کش‌های زیستی:

علف‌های هرز، از مشکلات اساسی کشاورزان است. این گیاهان، علاوه‌بر رقابتی که با محصولات کشاورزی دارند، آفتی برای آب، مواد مغذی، نور خورشید و فضای گیاهان به شمار می‌روند و نیز پناهگاه حشرات و سایر آفات و عوامل بیماری‌زا هستند.
علف‌کش‌های زیستی، روشی برای کنترل علف‌های هرز بدون خطرات زیست‌محیطی هستند.
ایجاد گیاهان مقاوم به علف‌کش‌ها نیز از روش‌های کنترل علف‌های هرز است؛ این گیاهان به روش دست‌کاری ژنتیکی ساخته می‌شوند و در برابر علف‌کش‌های مصنوعی مقاومت نشان می‌دهند تا علف‌کش‌ها صرفاً باعث از بین رفتن علف‌های هرز شوند. برای مثال، ژنی از نوعی باکتری خاک، تحت عنوان Agrobacterium tumefaciens، برای تولید گیاهان دست‌کاری‌شده ژنتیکی به کار می‌رود که این محصول، مقام به علف‌کش به شمار می‌آید.
تا کنون، دست‌کاری ژنتیکی در محصولاتی مانند ذرت، سویا، پنبه، چغندرقند، کتان و برنج به کار گرفته شده که طیف وسیعی از مقاومت در برابر علف‌کش‌های مصنوعی را از خود نشان داده‌اند.

_ مقاومت به تنش بیوتیک و غیزیستی:

باکتری رایج خاک، باسیلوس تورینگینسیس است که از ژن‌های این باکتری برای ساخت پروتئین خاصی در پنبه استفاده شده. این پروتئین سمی بوده و به برخی از حشرات همانند کرم غوزه صورتی و کرم غوزه پنبه‌ای آسیب می‌رساند؛ همچنین تا حدی در کنترل کرم جوانه تنباکو و کرم ارتشی پاییزی نقش دارد. در نتیجه، انواع Bt در طیف وسیعی از عملکردهای رشدی نقش دارد.
تولید گیاهان تراریخته مقاوم به خشکی نیز توسعه پیدا کرده است. در تولید محصولاتی همچون انگور تراریخته، ژن‌های باکتری Bt به عنوان خاصیت ضد قارچی در برابر پرزهای بین دانه‌های انگور به کار گرفته شده، همچنین در تولید محصولاتی چون کلم و گل‌کلم نیز از فناوری‌های مشابه استفاده شده است.
گیاه تراریخته، گیاهی است که حاوی ژن یا ژن‌هایی است که به طور مصنوعی و با استفاده از مجموعه‌ای از چندین ترکیب ژنتیکی به گیاه وارد می‌شود. این گیاه، طی تکنیک‌های بیوتکنولوژی به عنوان یکی از فناوری‌های DNA نوترکیب شناخته می‌شود. در این فرایند، DNA به بخش کد کننده ژن که وظیفه تنظیم ژن را بر عهده دارد، متصل شده و در نهایت این ژن‌ها به گیاه میزبان وارد می‌گردند که این گیاه اکنون تراریخته نامیده می‌شود، نحوه عملکرد این ژن‌ها نیز به گیاه منتقل می‌گردد. گیاهی که با عنوان تراریخته شناخته می‌شود، می‌تواند ژن‌ها را از گیاه هم‌گونه خود یا از گیاهی از گونه متفاوت دریافت نماید؛ همچنین، ژن‌های منتقل‌شده می‌توانند از موجودات نامرتبط همانند باکتری‌ها یا حیوانات باشند.

_ تولید سوخت زیستی:

سوخت زیستی، جایگزینی عالی برای سوخت‌های فسیلی است. برای مثال، در هند، ساقه گیاه موز به عنوان بستری لیگنوسلولزی و در واقع منبعی برای تولید بیواتانول به شمار می‌رود. آسپرژیلوس الیپتیکوس، آسپرژیلوس فومیگیت و ساکارومایسس سرویزیه منابع تولید بیواتانول هستند.

_ تأخیر در رسیدن میوه:

میوه‌ها و سبزیجاتی که چندان فاسدشدنی نیستند، برای حمل و نقل در مسافت‌های طولانی مناسب هستند. در حال حاضر، به کمک بیوتکنولوژی، ابزاری همچون RNA Antisense برای خاموش کردن ژن‌هایی که در رسیدن میوه مؤثر هستند، فاسد شدن آن‌ها را به تعویق می‌اندازند؛ در نتیجه می‌توان آن‌ها را برای مدت طولانی‌تری ذخیره کرد.

_ ارزش غذایی بهبود یافته:

ارزش غذایی بسیاری از محصولات زراعی بهبود پیدا کرده است. برای مثال، تولید محصولات تراریخته‌ای که به گیاه این امکان را می‌دهد تا بتاکاروتن (پیش‌ساز ویتامین A) بیشتری تولید نمایند؛ یا تولید گوجه‌فرنگی‌های غنی از آنتوسیانین (Anthocyanin) نیز توسعه یافته‌اند.
یکی از شیوه‌های کشاورزی پایدار و اساسی برای تقاضای کشاورزی آینده، بیوتکنولوژی میکروبی است، که حوزه‌ای مهم برای پیشرفت در ایمنی مواد غذایی، امنیت غذایی، محصولات با ارزش افزوده، تغذیه انسان، غذاهای کاربردی گیاهی و جانوری و حفاظت و تحقیقات بنیادی در علوم کشاورزی محسوب می‌گردد. در واقع، بیوتکنولوژی میکروبی، وابستگی‌های حوزه کشاورزی به مواد شیمیایی به خصوص آفت‌کش‌ها را کاهش داده و به کشاورزی پایدار کمک می‌کند. ژن‌هایی که برای استقرار در گیاه میزبان انتخاب می‌گردند، قابلیت لازم برای ایجاد مقاومت در برابر عوامل زیستی و یا غیر زنده را دارا هستند.
تمام منابع ژنتیکی، از جمع‌آوری و حفاظت گرفته تا ارزیابی و بهره‌برداری به شدت تحت تأثیر بیوتکنولوژی قرار گرفته‌اند. بیوتکنولوژی، با شناسایی، جداسازی، شبیه‌سازی و انتقال ژن‌های مورد بررسی از گونه‌ای به گونه دیگر، باعث تسریع در اصلاح دقیق می‌گردد. شناسایی توابع خاصی از ژن‌ها و اختصاص دادن عملکردهای مشخص به ژن‌های ناشناخته بهبود پیدا کرده است.
برخی از کاربردهای بیوتکنولوژی میکروبی که بصورت پیشرفته و در مقیاس بزرگ بررسی می‌گردد، به این شرح است:
1. حذف مواد شیمیایی سمی و آلودگی‌های ناشی از فلزات سنگین از محیط زیست
2. گوگرد زدایی از سوخت‌های فسیلی
3. مدل‌سازی از اکوسیستم؛ پایش آلودگی محیط زیست و سنجش زیستی سمیت محیطی
4. کنترل نشت نفت و صرفه‌جویی در منابع و انرژی
همانطور که اشاره شد، یکی از جنبه‌های ارتباط مهندسی ژنتیک و کشاورزی، تولید محصولات دستکاری‌شده ژنتیکی است. اصلاحات ژنتیکی را در اصطلاح GE می‌نامیم که با دستکاری مواد ژنتیکی گیاهی خاص، ویژگی‌های خاصی از موجود زنده را مورد بررسی قرار می‌دهد. دو راه جالب و مرسوم از روش‌های اصلاح ژنتیکی شامل مواد زیر است:
1. معرفی یک یا چند ژن با مشخصه خوب برای ورود به گیاه و 2. وارد کردن ژن‌های هر گونه به گیاه
از مزایای این محصولات، می‌توان به این موارد اشاره کرد:
_ کنترل رسیدن، ماندگاری و کیفیت محصول ( مانند نمونه‌های گوجه‌فرنگی، نخود، فلفل، میوه‌های استوایی، کلم بروکلی، خربزه و تمشک)
_ مقاومت در مقابل حشرات، جهت کاهش مصرف توسط حشره‌کش‌ها ( مانند گوجه‌فرنگی، سیب‌زمینی، ذرت، برنج، قهوه، کاهو، سیب و گیاهان خانواده کلم)
_ مقاومت قارچی برای کاهش مصرف قارچ‌کش‌ها ( همچون فلفل، گوجه‌‌فرنگی و خیار)
_ مقاومت ویروسی سبب کاهش بیماری‌های ویروسی توسط ویروس‌های گیاهی می‌شود، و از آنجا که حشرات حامل ویروس‌ها هستند، استفاده از حشره‌کش‌ها را نیز کاهش می‌دهد. ( برای مثال، سیب‌زمینی، گوجه‌فرنگی، طالبی، خیار، کلزا و کانولا، کدو حلوایی و ذرت)
_ بهبود تحمل علف‌کش‌ها و کنترل علف‌های هرز ( مانند گوجه‌فرنگی، سویا، ذرت، پنبه، کلزا و گندم)
از دیگر جنبه‌های بیوتکنولوژی در کشاورزی، کشاورزی سلولی است؛ این فرایند بر پایه تولید محصولات کشاورزی با استفاده از کشت سلولی گیاهان یا حیوانات و یا حتی میکروب‌هاست که از امکانات محدود برای گسترش کشاورزی بهره می‌برد.
رشد جمعیت انسانی بر روی کره زمین و محدود بودن امکان افزایش مساحت زمین‌های زراعی و کشاورزی، همچنین مشکلات مرتبط با این موضوع، از جمله فرسایش خاک، اوترفیکاسیون (Eutrophication) یا غنی شدن محیز آبی از ترکیبات محلول در آن که رشد بیش از حد برخی موجودات را سبب می‌شود، مصرف بیش از حد آب شیرین و انتشار گازهای گلخانه‌ای، لزوم به‌کارگیری کشاورزی سلولی را توجیه می‌نماید.
کشاورزی سلولی برای تولید بالقوه حجم زیادی از محصولات مانند پروتئین‌های غذایی (تخم مرغ، شیر و گوشت) و مواد شیمیایی ریز همچون مواد شیمیایی کاربرد دارد. در بیوتکنولوژی مدرن، تولید پروتئین‌های میکروبی از اقدامات پیشگام در این زمینه است. این پروتئین‌ها برای تولید غذا و خوراک به کار می‌روند. میکروب‌ها و یا ریزجلبک‌ها بصورت سلول‌های جدا رشد نمی‌کنند، اما ممکن است قادر به ایجاد کمپلکس‌های چند سلولی باشند و به این منظور، طیف گسترده‌ای از میکروب‌ها از جمله هتروتروف‌ها و اتوتروف‌ها، قارچ‌ها و مخمرها مورد استفاده قرار می‌گیرند.
توده‌های میکروبی یا ریزجلبکی، مقادیر بالایی از پروتئین‌ها، لیپیدها و کربوهیدرات‌ها را شامل هستند و به سرعت تکثیر می‌گردند.
طبق مطالعات، پروتئین‌های تک‌سلولی (SCP) حاصل از قارچ‌ها، ترکیبات غذایی مطلوبی همچون لیپیدها، پروتئین‌ها و فیبرها را در بر می‌گیرند، و علی‌رغم مقادیرکم متیونین، ترکیب اسیدآمینه بالایی دارند. درر نتیجه، طبق دستورالعمل‌های فائو، SCPهای قارچی منبعی غنی از پروتئین‌های عالی برای بهبود تغذیه هستند. از طرفی، پتانسیل قارچ‌ها به عنوان جایگزین گوشت مورد توجه است، از شناخته شده ترین SCPهای قارچی جایگزین گوشت، گونه Fusarium venenatum است.
از بین مخمرها، مخمر Yarrowia lipolytica کاربردی صنعتی دارد و توانایی آن به عنوان منبعی برای تولید کربن و لیپیدها حائز اهمیت است. تخمیر به صورت حالت جامد از نظر تولید مواد مغذی بیشتر و کاهش تولید پسماند و فاضلاب اهمیت دارد و نیز باعث ارتقای ارزش غذایی و پروتئین محصولات می‌گردد. اما خطری بالقوه که در این زمینه تهدیدکننده است، ایجاد سموم غیرمنتظره و متابولیت‌های ثانویه خطرناک از سوی میکروب‌هاست.
گونه‌های باکتریایی تولید کننده اندوتوکسین (Endotoxin) ، اگزوتوکسین‌ها (Exotoxin)، سیتوتوکسین‌ها (Cytotoxicity) و ژنوتوکسین‌ها (Genotoxicity) در زمینه کشاورزی سلولی، منبعی برای SCP در نظر گرفته شده‌اند. توده‌های حاصل از این گونه‌ها باید پیش از مصرف غذا بررسی گردند؛ زیرا مقادیر زیاد اسیدهای نوکلئیک آن‌ها درون بدن به اسید اوریک متابولیزه می‌شوند که عامل بیماری نقرس است. با این حال، روش‌هایی برای کاهش غلظت اسید نوکلئیک محصولات SCP شناخته شده و به اثبات رسیده است.
از دیگر گزینه‌های کشاورزی سلولی، سیانوباکتری‌ها هستند؛ موجوداتی تک‌سلولی که به صورت گروهی یا جداگانه و یا به صورت زنجیره‌ای رشد می‌کنند و اندازه سلول‌ها از چند میکروکتر تا چند صد متر متغیر است. این تک‌سلولی‌ها، قادر به فتوسنتز و تثبیت دی‌اکسید کربن (CO2) هستند که در این مسیر، از جریان‌های آب دریایی استفاده می‌کنند.
سیانوباکتری‌ها جلبک واقعی نیستند، اما به دلیل فنوتیپ و ظرفیت فتوسنتزی خود، آن‌ها را جلبک سبز_آبی می‌نامند، که همراه ریزجلبک‌های اسپیرولینا (Spirulina) و گونه‌های یوکاریوتی کلرلا (Chlorella) ، به عنون غذاهای کاربردی به بازار عرضه می‌گردند. ریزجلبک‌ها و سیانوباکتری‌ها با محتوای پروتئین 50 تا 70 درصد، علاوه‌بر مقادیر بسیار بالای پروتئین، لیپیدها، رنگدانه‌ها، ویتامین‌ها و پپتیدهای کوچک را نیز دارا هستند، به همین جهت، ارزش افزوده‌ای برای غذا و خوراک به شمار می‌روند.
کشاورزی را می‌توان به عنوان کل سیستمی در نظر گرفت که رشد کرده و غذا و خوراک، فیبر، گیاهان زینتی و خوراک را برای افراد فراهم می‌آورد. کشاورزی، منابع طبیعی مانند آب‌های سطحی و آب‌های زیزمینی، جنگل‌ها و اراضی دیگر که استفاده‌های تجاری یا تفریحی را دربرمی‌گیرند و یا حتی به عنوان حیات‌وحش شناخته می‌شوند، و نیز محیط‌های فیزیکی، اجتماعی و زیستی را شامل می‌شود.
شیوه‌های کشاورزی که اکنون در مقیاس جهانی اجرا می‌شود، ابزاری برای توسعه‌های زیست‌محیطی و اقثصاد پایدار و به طور کلی، حفاظت از زیست‌کره به شمار می‌روند. بنابراین، توسعه پایدار را تعیین می‌کنند و هدف مهم، ایجاد پایداری است که در نتیجه روش‌های کارآمدی برای بازیافت مواد مغذی، کنترل آفات و عوامل بیماری‌زا و کاهش تأثیرات منفی متغیرهای استرس غیرزیستی محقق خواهد شد که به دنبال آن، مسائل مرتبط با زندگی بشر و پایداری اکوسیستم جهانی مطرح می‌گردد. بیوتکنولوژی از روش‌هایی همچون: “افزایش مقاومت در برابر تنش‌های زیستی مانند حشرات، بیماری‌ها، آفات، پاتوژن‌های ویروسی، باکتریایی و قارچی؛ افزایش مقاومت در مقابل تنش‌های غیرزنده (خشکسالی، سرما و سیل)؛ بررسی بیولوژیکی خاک‌های آلوده و تولید آشکارساز‌های زیستی برای نظارت بر آلودگی؛ افزایش بهره‌وری و کیفیت محصولات؛ افزایش تثبیت نیتروژن و جذب مواد مغذی ؛ بهبود فناوری تخمیر و فناوری‌های تولید انرژی حاصل از زیست‌توده و تولید سطوح بالایی از مواد مغذی در محصولات اصلی که با کمبود مواد مغذی مواجه هستند همچون برنج” به کمک کشاورزی پایدار آمده است.
از محصولاتی که به منظور افزایش عملکرد و بهره‌وری محصول تحت شرایط زیستی و غیرزنده به دست آمده‌اند:
1. لوبیا معمولی مقاوم به ویروس اصلاح‌شده ژنتیکی
2. محصولات ترایخته
3.مهندسی افزایش تحمل به تنش‌های غیرزنده در گیاهان زراعی؛ همانند: “افزایش راندمان مصرف نیتروژن” ، “تکنولوژی تحمل نمک و شوری”، “فناوری تحمل در برابر خشکی و بهره‌وری مصرف آب” و “فناوری‌های ترکیبی”
4. محصولات اصلاح‌شده ژنتیکی همچون موز مقاوم به پژمردگی
5. کاساوا مقاوم به بیماری ویروسی برای آفریقا
6. ارزیابی محصولات تراریخته بر چرخه زندگی و فعالیت‌های محیطی، اجتماعی و اقتصادی
از استراتژی‌های امیدوارکننده برای رسیدن به کشاورزی پایدار، جایگزین ساختن کودها و آفت‌کش‌های حاوی میکروب‌های همزیست و سازگار با محیط زیست، با کودهای معدنی خطرناک و آفت‌کش‌های غیرزیستی است، که می‌تواند به بهبود محصولات زراعی و محافظت از آن‌ها در برابر عوامل بیماری‌زا (آفات و عوامل زیستی) و چالش‌های غیرزنده (از جمله آلودگی‌ها و تغییرات اقلیمی و آب و هوایی) کمک نماید.
عوامل باکتریایی و قارچی در تولید کودهای زیستی به کار می‌روند؛ به طوری که به عنوان یک عامل مستقیم، بر پاتوژن تأثیر می‌گذارد.
آفت‌کش‌های زیستی حاوی باکتری‌هایی همچون (Bacillus circulans) ، (Agrobacterium radiobacter) ، (Pseuomonas aureofaciens) و قارچ‌هایی مانند (Fusarium oxysporum)، (Trichoderma harzianum)، (gliocladium virens) و (Pythium oligandrum) در بسیاری از کشورها برای کمک به رشد و توسعه پایدار در کشاورزی تولید می‌گردند.
پایداری یک سیستم کشاورزی را می‌توان بر طبق چگونگی اهداف و مقاصد مشخص‌شده ارزیابی کرد؛ اهدافی مانند
_ تأمین نیازهای غذایی، خوراک، فیبر و نیازهای سوختی
_ افزایش کیفیت محیطی و منابع
_ پایداری اقتصادی حوزه کشاورزی، بهبود کیفیت زندگی برای کشاورزان و کارگران مزرعه به عنوان بخشی از جامعه کشاورزی

برای رسیدن به پایداری کشاورزی و ثبات و عملکرد طولانی مدت بیوتکنولوژی در این حوزه، تمرکز بر چند عامل ضروری است:

1. حاصلخیزی خاک

از مهم‌ترین نهاده‌ها است و به بیان دیگر، محصولی که از خاک به دست می‌آید، نشان دهنده محیطی ناهمگن از میکروبیوتای ساکن در آن است. انواع گوناگون ذرات جامد خاک، همچون شن، سیلت، خاک رس و مواد آلی، تعداد فراوانی از میکروب‌های بومی آن خاک را فراهم می‌آورند و تغییرات عمده در خاک و یا محیط اطراف آن، اثر قابل توجهی بر خاک مورد نظ خواهند داشت. ذرات مواد معدنی و خاک رس، ذخایر زیادی از مواد مغذی و مود نیاز گیاهان را در خود ذخیره می‌کنند. ریشه‌ها و بقایای محصولات سبب بهبود حاصلخیزی و تحریک جوامع میکروبی خاک و بهبود تجمع عناصر خاک در محیط فیزیکی که توسط خاک اشغال شده می‌گردد؛ در نتیجه، بهبود نفوذ آب به درون خاک، نگهداری آب داخل خاک، و هوادهی به ریشه را به دنبال خواهند داشت.

2. ماده آلی خاک (SOM)

این مواد نقش کلیدی و حساسی در حفظ ساختار و حاصلخیزی خاک دارند. طیف وسیعی از خاک‌ها از نظر دارا بودن مواد آلی ناهمگن هستند و حاوی سلول‌های ریشه‌های از بین رفته، ریشه‌های مرده، ترشحات ریشه‌های زنده و فعال، هیف‌های قارچی، موسیلاژها و پلی‌ساکاریدها و زیست‌توده بی‌مهرگان هستند.

3. بیولوژی خاک

فعالیت جامعه میکروبی خاک، تغذیه گیاه را بهبود می‌بخشد.
ماتریکس خاک، منبعی مهم از میکروارگانیسم‌هایی است که با گیاهان در ارتباط هستند؛ به گونه‌ای که اکوسیستم خاک را می‌توان متنوع‌ترین اکوسیستم روی زمین به شمار آورد.
میکروبیوم خاک، مسئول فرایندهای ضروری مرتبط با سلامت گیاه است؛ به عنوان مثال، میکروبیوم خاک که در ارتباط نزدیک با گیاهان قرار دارد، می‌تواند با افزایش ظرفیت گیاه برای تأمین مواد مغذی مانند فسفر و نیتروژن، و حمایت از گیاهان برای جذب مواد مغذی از خاک، حفاظت از گیاهان را ترویج نماید.
میکروفلور طبیعی خاک حاوی انواع باکتری‌های مفید و قارچ‌هایی از جمله قارچ‌های (Mycorrhiza arbuscular) و ریزوباکترها (PGPR) به عنوان محرک رشد گیاه می‌باشد. میکروارگانیسم‌هایی همچون باسیل، (Pseudomonas) ، (Micrococcos)، (Flavobacterium)، (Fosarium)، (Sclerotium) ، آسپرژیلوس (Aspergillus) و پنی‌سیلیوم (Penicillium) از میکروارگانیسم‌های ساکن خاک هستند که در فرایند حل شدن فسفر و جذب این عنصر نقش دارند.
میکروارگانیسم‌ها قادر هستند که بر بهره‌وری کشاورزی و ارتقای تحمل استرس گیاه و اکتساب مواد مغذی اثرگذار باشند. میکروبیوم، به عنوان ثروت عظیمی از تنوع میکوبی تلقی می‌گردد، که گونه‌ها مختلف گیاهی مهم و خویشاوندان طبیعی آن‌ها برای جوامع باکتریایی مرتبط آن‌ها مورد مطالعه قرار می‌گیرد.
در حال حاضر، روش‌هایی برای بهبود توانایی میکروب‌های خاک برای کاهش تنش در محصولات زراعی در پیش گرفته شده که برای این منظور، درک تعاملات میکروبیوم گیاهی و شناخت عوامل استرس‌زا از جمله شوری، خشکسالی، کمبود مواد مغذی، آلودگی، بیماری‌ها و آفات و سایر عوامل ضروری است، که این عوامل قادر به تغییر برهم‌کنش‌های میکروب گیاهی در ریزوسفر هستند.
پروبیوتیک‌ها به عنوان مکمل‌های غذایی میکروبی و محصولات به‌وجود آمده از تخمیر لبنیات، و همچنین به دلیل مزایایی که این میکروارگانیسم‌ها به محض بلع بر تغذیه و سلامتی می‌گذارند، یکی از حوزه‌های مورد علاقه برای افزایش بهره‌وری کشاوزی هستند. این محصولات، تا کنون به صورت رسمی در زمینه‌های غیر لبنی و کشاورزی مورد توجه و آزمایش قرار نگرفته‌اند.
از سویه‌های میکروبی تشکیل‌دهنده این محصولات، می‌توان به لاکتوباسیلوس (Lactobacillus) و بیفیدوباکتریوم (Bifidobacterium) اشاره نمود که قادر به چسبیدن، کلونیزه کردن و ایجاد تعدیل در دستگاه گوارش هستند و اثرات ضد التهاب و ضد آلرژی نیز دارند.

نتیجه

تغییرات اقلیمی و افزایش شمار افراد ساکن بر روی کره زمین، بر سیستم کلی و عمومی کره زمین و کشاورزی عمومی اثرگذار خواهد بود؛ نتایج حاصل از مطالعات در بخش‌های بیوتکنولوژی مرتبط با کشاورزی، کشاورزی سلولی، میکروبیوم خاک و ژنتیک، می‌تواند در جهت مرتفع‌سازی این بحران‌ها کمک کننده باشد. توده‌های میکروبی، کودهای زیستی، استفاده از محصولات اصلاح‌شده ژنتیکی، تولید گیاهان مقاوم به ،ت و علف‌کش‌ها و سایر موارد ذکر شده، چشم‌اندازهای خوبی از آینده کشاورزی در پرتوی بیوتکنولوژی ارائه می‌دهد.
اهمیت توده‌های میکروبی و ریزجلبکی در تولید محصولات غنی از مواد مغذی، لازمه‌ توجه به اکوسیستم دریا و اکتشاف میکروجلبک‌های مؤثر در تولید محصولات با صرفه اقتصادی و با ارزش غذایی بالا و همچنین، بررسی‌های بیشتر در توده‌های زیستی از منظر دارا بودن اسیدهای آمینه، پروتئین‌ها و سایر مواد مغذی و ضروری را دو چندان می‌کند.

منابع

1. The role of single cell protein in cellular agriculture
2. Chapter 6 – Microbial Biotechnology and Sustainable Agriculture
3. Role of biotechnology in agriculture

نویسنده : زهرا مفیدی

دانلود PDF مقاله