نیتروژن ضروری ترین ماده غذایی برای گیاه است و کمبود آن یک عامل محدود کننده اصلی برای تولیدات گیاهی است، دوبرابر شدن تولید محصولات کشاورزی در سراسر جهان در چهار دهه گذشته با افزایش 20 برابری در مصرف کود های ازته همراه بوده است. امروزه یکی از هزینه­های اصلی عملیات کشاورزی به کودهای ازته مربوط می­شود. از طرف دیگر، استفاده از کودهای ازته در بخش کشاورزی اثرات سوء زیست محیطی و بهداشتی نشان می­دهد. بنابراین، لزوم کاهش آلودگی ناشی از کودهای ازته، تشدید کننده اهمیت بهبود کارایی مصرف نیتروژن در گیاهان زراعی است. توسعه گیاهان زراعی که به مقدار بیشتر و به طور موثرتری نیتروژن را جذب می­کنند، می­تواند نیاز به کودهای ازته را کاهش داده و اثرات مثبتی روی محیط زیست بگذارد. در طرحی جدید شرکت دوپون و شرکت سامانه­های حسی گیاهی Plant Sensory Systems بر روی افزایش کارآیی ازت در گیاه ذرت با هم به مشارکت می­پردازند. آنچه که به طور مختصر از این تحقیق منتشر شده است، نشان­دهنده دستکاری ژنتیکی گیاهان ذرت به گونه­ای است، که در هنگام کاهش میزان ازت خاک میزان محصول حفظ شود و نیز سطح آستانه نیاز به کودهای ازته افزایش یابد. همکاری این دو شرکت با یکدیگر برای ارزیابی ژنهای اختصاصی موثر در افزایش کارآیی نیتروژن نقطه عطف مهمی در زمینه  حاصلخیزی پایدار ذرت به شمار می­آید. گیاهان ذرتی که این چنین بهبود یافته اند امکان بهبود سود و توسعه کشاورزی پایدار را فراهم می­ آورند.  به همین بهانه گزارش زیر تهیه شده است.

نیتروژن پرمصرف­ ترین عنصر در گیاه است، که زندگی گیاه بدون این عنصر امکان پذیر نیست. همچنین رشد رویشی، گلدهی، تشکیل میوه و باردهی، رسیدگی میوه و مسائل فیزیولوژیکی پس از برداشت محصولات باغبانی از این عنصر تاثیر می­ پذیرد. برخلاف سایر عناصر، ازت در مواد مادری خاک وجود ندارد و از راه باران، عوامل بیولوژیک و اتمسفر به خاک اضافه می گردد. علت نیاز بالای گیاه به ازت علاوه بر مصرف زیاد توسط گیاه، هدر رفت آن در اثر؛ آبشویی، فرسایش، تصعید آمونیاک و ازت می باشد. در اوایل فصل استرس کمبود نیتروژن ممکن است، به کاهش جبران ناپذیر محصول منتهی شود، ضمن اینکه این استرس در بقیه دوره زندگی گیاه نیز می­تواند میزان محصول را کاهش ­دهد.
 


- توانایی آنزیم گلوتامین سنتتاز را در جذب آمونیک آزاد شده در طی فرآیند تنفس نوری و همچنین جذب آمونیاک حاصل از فرآیندهای تثبیت ازت و کاتابولیسم اسیدهای آمینه و تبدیل گلوتامات به گلوتامین

  دو راه اساسی برای بالا بردن کارایی استفاده از نیتروژن وجود دارد شامل؛

 1-     افزایش توانايي گياه در استخراج و جذب نيتروژن از خاك

  2-     افزایش توانايي گياه در تسريع جذب و مصرف نیتروژن در داخل گیاه (افزایش عملکرد دانه)

    روش فعلی برای جبران این کمبود کاربرد کودهای ازته است، این در حالی است، که در بسیاری از مناطق جهان مصرف کودهای ازته یکی از هزینه های مهم عملیات کشاورزی به شمار می­آید. با توجه به لزوم کاهش هزینه­های تولید، پیدا کردن راهکاری برای کاهش مصرف کودهای ازته توجیه اقتصادی خواهد داشت. ضمن اینکه طبق تحقیقات زیست­محیطی مصرف بی­رویه کودهای ازته نقش مهمی در آلودگی منابع آب زیرزمینی دارند. بنابراین تحقیق روی بهبود میزان جذب ازت توسط گیاه می­تواند در زمینه کشاورزی پایدار نقطه عطفی محسوب شود.

    در مورد راهکار دوم، با ايجاد تغييرات ژنتيكي مي توان ارقامي توليد کرد، که میزان كمتري از نیتروژن نياز دارند و میزان کمیت و کیفیت محصول حفظ شود. همچنین با استفاده از مهندسی ژنتیک می توان ارقامي توليد کرد، كه تحت هر دو شرايط كم يا زياد بودن نیتروژن، عملكرد بهینه داشته باشند.

    شناسایی و ارزیابی ژنهای اختصاصی موثر در افزایش کارآیی مصرف نیتروژن نقطه عطف مهمی در زمینه  حاصلخیزی پایدار در گیاه به شمار می آید. از جمله ژن های موثر در افزایش کارایی مصرف نیتروژن می­توان به موارد زیر اشاره کرد:

   
1-     ژن های بیان کننده آنزیم های نیترات ردوکتاز (NR) و نیتریت ردوکتاز (NiR)

2-     سیستم ژنی آنزیم های گلوتامین سنتتاز(GS) و گلوتامات سنتتاز ((GOGAT

3-     ژن های بیان کننده آنزیم آسپارژین سنتتاز (AS)

 

1-     ژن های بیان کننده آنزیم های نیترات ردوکتاز (NR) و نیتریت ردوکتاز (NiR)

 

    گیاهان زراعی در درجه اول نیتروژن را به صورت نیترات و یا آمونیاک از خاک بدست می آورند، هر چند برخی از گیاهان از اسیدهای آمینه به عنوان منابع قابل توجه نیتروژن استفاده می کنند. نيترات يکي از مهمترين منابع نيتروژن معدني براي گياهان مي باشد. جذب نيترات توسط سلول هاي ريشه، يک فرآيند بسيار کليدي و حياتي در گياهان عالي است زيرا به عنوان اولين مرحله از مسير تثبيت نيترات در نهايت منجر به توليد بسياري از ترکيبات نيتروژن دار آلي جهت سنتز مولکول هاي زيستي نظير پروتئين ها و اسيدهای نوکلئيک مي گردد.

   از طریق انتقال دهنده های موجود در غشای دیواره ریشه ، نیترات جذب و سپس از طریق واکنش ترکیبی با آنزیم های نیترات ردوکتاز (NR)و نیتریت ردوکتاز (NiR) به آمونیوم احیا می شود. در گیاهان عالی، بیان ژن نیترات ردوکتاز (NR) توسط چند عامل خارجی و درونی تحت تاثیر قرار می گیرد و این تاثیر در سطوح رونویسی و نیز ترجمه ژن بسیار دیده می­شود. بیان بالای هر یک از ژن های نیترات ردوکتاز (NR) یا نیتریت ردوکتاز (NiR) در گیاهان سطوح mRNA را افزایش داده و اغلب جذب نیتروژن را تحت تاثیر قرار می دهد. گیاهان در هنگام تجمع غلظت بالای آسپاراژین و گلوتامین در برگ ها به طور کامل قادر به بیان آنزیم نیترات ردوکتاز نمی باشند، اما این گیاهان تراریخته، به علت داشتن آنزیم نیترات ردوکتاز که در طول هر دو دوره نور و تاریکی فعال است، به طور معمول رشد و توسعه می یابند.

  2-    سیستم ژنی آنزیم های گلوتامین سنتتاز(GS) و گلوتامات سنتتاز ((GOGAT

   آنزیم های مختلفی در روند تشکیل و تولید ترکیبات گیاهی (پروتئین ها، اسیدهای آمینه و...) نقش دارند. یکی از این ترکیبات آنزیم گلوتامین سنتتاز (Glutamine synthetase) می باشد که در جذب آمونیوم در گیاهان عالی نقش دارد. گلوتامین سنتتاز دارای اشکال ایزوآنزیمی متفاوتی است که با ارگان ها و اجزای سلولی ارتباط دارد. در گیاهان غالبا دو نوع ایزوآنزیم گلوتامین سنتتاز یافت می شود. یکی از آنها گلوتامین سنتتاز سیتوپلاسمی (GS1) و گلوتامین سنتتاز کلروپلاستی (GS2) است که در کلروپلاست بیان می گردد. گلوتامین سنتتاز کلروپلاستی (GS2) قادر به جذب آمونیاک آزاد شده طی فرآیند تنفس نوری می باشد، از طرفی گلوتامین سنتتاز سیتوپلاسمی (GS1) نیز توانایی جذب آمونیاک حاصل از فرآیندهای تثبیت ازت و کاتابولیسم اسیدهای آمینه را دارد.

 

گر چه برخی مطالعات نشان می دهد که افزایش فعالیت آنزیم گلوتامین سنتتاز  در گیاهان تراریخته، هیچ تاثیری بر روی فنوتیپ گیاه ندارد، اما سایر مطالعات بیان­گر آن است، که به محض ورود یک ساختار جدید از گلوتامین سنتتاز (gs1) ارتباط مستقیمی بین افزایش فعالیت آنزیم گلوتامین سنتتاز در گیاهان تراریخته و افزایش عملکرد و یا زیست توده گیاه وجود دارد. به عنوان مثال گیاهان توتون و تنباکو که دارای بیان بالای ژن GS1 می باشند، میزان وزن تر، وزن خشک و پروتئین برگ در آنها افزایش نشان می­دهد، که به طور مستقیم در ارتباط با افزایش سطح آنزیم گلوتامین سنتتاز در برگ این گیاهان می باشد و در این گیاهان تراریخته افزایش کارایی مصرف نیتروژن دیده می­شود. 

 

 
3-ژن های بیان کننده آنزیم آسپارژین سنتتاز (AS)

    در طول چند سال گذشته، توجه بر روی آنزیم آسپارژین سنتتاز ( (AS، که تشکیل آسپاراژین (Asn) و گلوتامات را از گلوتامین (Gln) و آسپارتات کاتالیز می کند، متمرکز شده است.

 در گیاهان عالی، آنزیم آسپاراژین سنتتاز توسط ژن کوچک  family21 کد گذاری می شود. اعتقاد بر این است که آسپارژین سنتتاز همراه با گلوتامین سنتتاز، در متابولیسم اولیه نیتروژن نقش حیاتی بازی می کند. مشاهده شده است، که میزان نسخه­ برداری و ترجمه ژن آنزیم آسپاراژین سنتتاز در گره های ریشه گیاه تراریخته Medicago truncatula، به هنگام کاهش آنزیم  گلوتامین سنتتاز، افزایش می یابد. این موضوع نشان می دهد که آنزیم آسپاراژین سنتتاز می تواند اثر کاهش آنزیم گلوتامین سنتتاز را در جذب آمونیوم جبران کند. همچنین همان محققین نشان دادند، که فعالیت آنزیم گلوتامین سنتتاز برای بالا نگه داشتن سطح آنزیم آسپارژین سنتتاز ضروری است. بنابراین آنزیم گلوتامین سنتتاز برای سنتز مقدار کافی گلوتامین جهت تقویت بیوسنتز آسپارژین مورد نیاز است.

 بنابراین وقتی آنزیم گلوتامین سنتتاز محدود می شود آسپاراژین ممکن است در کنترل کاهش جریان نیتروژن به درون گیاه مهم باشد. با هدف افزایش تولید آسپاراژین در گیاهان و به منظور مطالعه نقش آنزیم آسپاراژین سنتتاز ، تعدادی از محققان اقدام به کلون کردن ژن آنزیم آسپاراژین سنتتاز و بررسی بیان ژن مربوطه در گیاهان نمودند.

  منابع:

Shrawat  A. K. and A. G., Good. 2008. Genetic Engineering Approaches to Improving Nitrogen Use Efficiency. ISB News Report.

Hao Q. N.,  Zhou X. A., Sha A.H., Wang C., Zhou R., and S.L.  Chen. 2011. Identification of genes associated with nitrogenuse efficiency by genome-wide transcriptional analysis of two soybean genotype. BMC Genomics . 12: 525.

 http://www2.dupont.com/Production_Agriculture/en_US/news_events/cp_releases/2011-10-26.html

http://www.plantsensorysystems.com/plant-sensory-systems-news.html