کاربرد بیوانفورماتیک در کشاورزی

کشاورزی نه تنها شغل اصلی چند ملت است، بلکه شیوه زندگی، فرهنگ و آداب و رسوم است. غلاتی مانند برنج، گندم، جو، ذرت، سورگوم، ارزن، نیشکر همواره به عنوان غذای مهم در جمعیت های انسانی در قاره های مختلف مورد توجه بوده اند. از هزاران سال پیش، مردم از پرورش و انتخاب برای تولید انواع بومی این محصولات با ویژگی های مورد نظر استفاده می کنند. با افزایش روز افزون جمعیت کره زمین، نیاز به استفاده از روش‌های پیشرفته‌تر و مدرن‌تر بیوتکنولوژی در زراعت داریم. به عبارت دیگر، ما باید سرعت تحقیق را افزایش دهیم تا بتوانیم غذای کافی برای نسل های آینده فراهم کنیم. دخالت علوم کامپیوتر در زمینه زیست شناسی گیاهی، روشی را که ما معمولاً در دهه های گذشته در مورد گیاهان انجام می دهیم، تغییر داده است. پیشرفت سریع فناوری توالی یابی در چند سال گذشته این فناوری را چنان مقرون به صرفه کرده است که امروزه برای هر آزمایشگاه تجربی استفاده از روش های توالی یابی برای مطالعه ژنوم مورد نظر رایج است. از جمله پیشرفت بیوتکنولوژی مدرن در کشاورزی قطعاً سودهای کلانی برای بخش انرژی زیستی، صنایع مبتنی بر کشاورزی، استفاده از محصولات جانبی کشاورزی، بهبود گیاهان و مدیریت بهتر محیط زیست به دست خواهد آورد. ما نیاز به استفاده از منابع ژنومی موجود برای بسیاری از گونه‌های گیاهی غیرمدل و مدل داریم که در نتیجه پیشرفت سریع فناوری در زمینه بیوانفورماتیک بدست آمده است.
 

تاثیر توالی یابی ژنوم در کشاورزی

اصطلاح ژنوم به معنای کل ماده ژنتیکی یک موجود زنده از جمله مجموعه کامل DNA هسته ای (یعنی ژنوم هسته ای) و همچنین اطلاعات ژنتیکی ذخیره شده در اندامک ها "ژنوم میتوکندری" یا "ژنوم کلروپلاست" است. برخی از موجودات دارای نسخه های متعدد کروموزوم هستند که به صورت دیپلوئید، تریپلوئید، تتراپلوئید و غیره هستند. در یوکاریوت‌هایی مانند گیاهان، تک یاخته‌ها یا حیوانات، "ژنوم" معمولاً تنها با اطلاعات DNA کروموزومی مرتبط است. اطلاعات ژنتیکی موجود در DNA درون اندامک ها، یعنی کلروپلاست یا میتوکندری، بخشی از ژنوم در نظر گرفته نمی شود. در واقع، گاهی اوقات از میتوکندری ها به عنوان حامل ژنوم خود نام برده می شود که اغلب "ژنوم میتوکندری" نامیده می شود و DNA ایجاد شده در کلروپلاست را می توان "پلاستوم" نامید. سهم ژنومیکس در کشاورزی شامل شناسایی و دستکاری ژن‌های مربوط به صفات فنوتیپی خاص و همچنین اصلاح ژنومیکس با انتخاب ژن های مهم به کمک نشانگر است.


 

کاربردهای بیوانفورماتیک کشاورزی

جمع‌آوری و ذخیره‌سازی منابع ژنتیکی گیاهی می‌تواند برای تولید محصولات قوی‌تر، مقاوم‌تر به بیماری‌ها و حشرات و بهبود کیفیت دام‌ها (دام های مقاوم‌تر در برابر بیماری‌ها) و بهره‌وری بیشتر مورد استفاده قرار گیرد. ژنتیک مقایسه ای گونه های گیاهی مدل و غیرمدل می تواند سازماندهی ژن های آنها را نسبت به یکدیگر کشف کند که پس از آن برای انتقال اطلاعات از سیستم های محصول مدل به سایر محصولات غذایی استفاده می شود. در این راستا، نمونه‌هایی از ژنوم‌های کامل گیاهی Arabidopsis thaliana (آرابیدوپسیس) و Oryza sativa (برنج) هستند. از طرفی یکی از منابع دریافت انرژی از طریق تبدیل توده زیستی گیاهی به سوخت های زیستی مانند اتانول است و می توان از آن برای وسایل نقلیه و هواپیماها استفاده کرد. گونه های زراعی مبتنی بر توده زیستی مانند ذرت (ذرت) و گونه های لیگنوسلولزی مانند کاه به طور گسترده برای تولید سوخت زیستی استفاده می شوند. بر این اساس، استفاده از ترکیب ژنومیکس و بیوانفورماتیک احتمالاً توانایی گونه‌های زراعی پرورشی را برای استفاده به عنوان سوخت زیستی افزایش می‌دهد و بنابراین استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر را در جامعه مدرن افزایش می‌دهد. علاوه بر این، ژن هایی از Bacillus thuringiensis که می تواند تعدادی از آفات جدی را کنترل کند با موفقیت به پنبه، ذرت و سیب زمینی منتقل شده است. این توانایی جدید گیاهان برای مقاومت در برابر شیوع حشرات ممکن است تعداد حشره کش های مورد استفاده را کاهش دهد و بنابراین کیفیت تغذیه محصولات را افزایش می دهد. دانشمندان اخیراً موفق به انتقال ژن به برنج برای افزایش سطح ویتامین A، آهن و سایر ریزمغذی ها شده اند. این موفقیت می تواند تأثیر عمیقی در کاهش حوادث نابینایی و کم خونی ناشی از کمبود ویتامین A و آهن به ترتیب داشته باشد. نمونه دیگر پیشرفت حاصل در توسعه انواع غلات است که تحمل بیشتری نسبت به آلومینیوم آزاد و سمیت آهن دارند. این واریته‌ها برای کشاورزی در مناطق با خاک فقیرتر موفق می‌شوند، بنابراین زمین‌های بیشتری را به پایه تولید جهانی اضافه می‌کنند. در این راستا، هدف ژنومیکس گیاهی درک پایه‌های ژنتیکی و مولکولی همه فرآیندهای بیولوژیکی در گیاهان است. این موضوع امکان بهره برداری کارآمد از گیاهان را به عنوان منابع بیولوژیکی در تکامل ارقام جدید با بهبود کیفیت و کاهش هزینه های اقتصادی و زیست محیطی فراهم می کند.


 

پایگاه داده بیولوژیکی مهم کشاورزی

در آغاز "انقلاب ژنومی"، وظیفه اساسی بیوانفورماتیک ایجاد و نگهداری پایگاه های داده برای ذخیره اطلاعات بیولوژیکی مانند توالی های نوکلئوتیدی و اسید آمینه بود. پایگاه داده بیولوژیکی شکل بزرگ و سازماندهی شده ای از داده های ثابت است که عموماً مربوط به نرم افزارهای رایانه ای است که برای به روز رسانی، جست و جو و بازیابی اجزای اطلاعات ذخیره شده در سیستم پیش بینی شده است.. توسعه پایگاه داده نه تنها شامل اطلاعات طراحی و ذخیره‌سازی می‌شود، بلکه شامل توسعه رابط کاربری گرافیکی کاربر پسند نیز می‌شود، بنابراین محققان می‌توانند هم به داده‌های موجود دسترسی داشته باشند و هم داده‌های جدید یا اصلاح‌شده را ارسال کنند، مانند پایگاه های داده NCBI و Ensembl. پایگاه‌های اطلاعاتی مفید زیادی وجود دارد که می‌توانیم اطلاعات مربوط به گونه‌های گیاهی خاص را به دست آوریم. به عنوان مثال پایگاه داده PlantTribes 2.0 یک پایگاه داده خانواده ژن گیاهی است که بر اساس پروتئوم های استنباط شده از پنج گونه گیاهی توالی یابی شده است: Arabidopsis thaliana، Carica papaya، Medicago truncatula، Oryza sativa و Populus trichocarpa. همچنین یک پایگاه داده موازی از نتایج تجربی ریزآرایه مربوط به ژن ها وجود دارد که به کاوشگران امکان می دهد گروه هایی از ژن های مرتبط و الگوهای بیان آنها را شناسایی کنند. پایگاه داده دیگر، پایگاه داده FlagDB، مجموعه بزرگ یکپارچه ای از ویژگی های ساختاری و عملکردی و EST ها از شش گونه گیاهی مختلف را مشخص می کند. علاوه بر این، همچنین اطلاعاتی در مورد پیش‌بینی‌های جدید ژن، خانواده‌های ژنی، موتیف‌های پروتئین، داده‌های رونویسی، توالی‌های تکراری، آغازگرها و برچسب‌ها برای رویکردهای ژنومی، هدف‌گیری درون سلولی، ساختارهای ثانویه، مدل‌های سوم و فنوتیپ‌های جهش یافته وجود دارد. مثال مهم دیگر پایگاه داده ژنوم گیاه PlantGDB است که کاتالوگی از توالی های ژنومی همه گونه های گیاهی است که با هدف انجام ژنومیکس مقایسه ای ایجاد شده است. این پایگاه داده همچنین توالی های EST را به چند دسته طبقه بندی می کند که می توانند ژن های منحصر به فرد را مشخص و متمایز کنند.
 

ژنومیکس گیاهی

نقش ارگانیسم مدل

در طول قرن آخر، بررسی و تحقیق بر روی تعدادی از اشکال حیات نقش اساسی در درک ما از چرخه‌ها و فرآیندهای بیولوژیکی مختلف ایفا کرده است. این به این دلیل است که بسیاری از جنبه های علم، به ویژه فرآیندهای بیولوژیکی، در اکثر موجودات زنده قابل مقایسه هستند. با این حال، اغلب کشف یک جنبه یا فرآیند خاص در یک ارگانیسم بسیار آسان تر از سایر ارگانیسم هاست. در این مورد، این موجودات معمولاً به عنوان موجودات مدل پیشنهاد می شوند، زیرا ویژگی هایی دارند که آنها را برای مطالعه آزمایشگاهی مناسب می کند. شناخته شده ترین ارگانیسم های مدل باید اولویت های محکمی برای تحقیقات تجربی داشته باشند، مانند چرخه زندگی کوتاه و در دسترس بودن. در این مرحله می توان حجم عظیمی از داده ها را از این موجودات تعیین کرد که اطلاعات مهمی برای تجزیه و تحلیل می دهد. به عنوان مثال، Medicago (یونجه) یک گیاه دیپلوئید است که نقش بسزایی در تثبیت نیتروژن خاک و بخش عمده ای از جیره های علوفه ای را دارد. سایر علف ها و حبوبات نیز برای توالی یابی گسترده EST و ساخت نقشه های ژنتیکی استفاده می شوند. خوشبختانه، توالی کل تمام ژن های یک گونه گیاهی نماینده، دانش و اطلاعات بسیار بیشتری را برای همه گیاهان عالی به ارمغان می آورد. همچنین، استفاده از گونه های مدل، دانش را در مورد همه گیاهان عالی، به ویژه در آشکار کردن نقش پروتئین ها و کشف عملکرد آنها، بیشتر می کند. آرابیدوپسیس برای بسیاری از محققان به یک گیاه مدل شناخته شده تبدیل شده است. علیرغم اینکه گیاهی غیرتجاری است، به دلیل تکثیر، نمو و واکنش به استرس و بیماری مانند بسیاری از گیاهان زراعی ترجیح داده می شود. این گیاه ژنوم کوچکی دارد که توالی‌های DNA تکراری که مانع از عملکرد تجزیه و تحلیل ژنوم می‌شود را ندارد. چرخه زندگی سریع (حدود 6 هفته از جوانه زدن بذر تا بذر رشد یافته)؛ تولید بذر مولد و کشت ساده در فضای محدود از ویژگی های دیگر آن است. ژنوم آن دارای 25498 ژن است که پروتئین های 11000 خانواده را کد می کند. مانند سایر موجودات مدل، اطلاعات بسیار بیشتری برای ژنوم آرابیدوپسیس نسبت به توالی ژنوم کامل وجود دارد. وب‌سایت منبع اطلاعاتی آرابیدوپسیس به نام TAIR، به کاوشگران اجازه می‌دهد توالی ژنوم را با پایگاه داده بزرگ EST و نقشه‌های ژنتیکی و فیزیکی ادغام کنند. از گیاهان جایگزینی که به‌عنوان ارگانیسم‌های مدل برای تحقیق مورد استفاده قرار می‌گیرند می توان گوجه‌فرنگی، برنج، ذرت و گندم را نام برد زیرا ویژگی‌های قابل توجهی دارند. تمام تحقیقات و داده های ژنتیکی موجود برای گیاهان مدل مختلف در وب سایت های مربوطه بارگذاری می شود.


 

نقشه برداری ژنی و بررسی توزیع داده های ژنوم گیاهی

ژنومیکس به طور قابل توجهی از پیشرفت در قابلیت های محاسباتی و بیوانفورماتیک، مانند بسیاری از زمینه های علم و فناوری، سود برده است. رشد اینترنت برای محققان ژنوم و همچنین سرعت محاسباتی بهبود یافته حیاتی بوده است. برخی از وب سایت ها مانند NCBI و EMBL دسترسی سریع به حجم عظیمی از اطلاعات و ابزارهای تجزیه و تحلیل را به صورت رایگان از هر نقطه از جهان می دهند.. بخش اصلی داده های ژنومی یک سیستم پایگاه داده است و اکثر پایگاه های داده را می توان به عنوان پایگاه های داده رابطه ای (RDB) یا پایگاه های داده شی گرا (OODB) طبقه بندی کرد. سه پایگاه داده توالی ضروری وجود دارد: GenBank (NCBI)، پایگاه داده توالی نوکلئوتیدی (EMBL) و بانک اطلاعات DNA ژاپن (DDBJ) که مخازنی برای اطلاعات توالی خام گیاهی هستند. همچنین، SWISS-PROT و TrEMBL پایگاه‌های اطلاعاتی اصلی برای ذخیره‌سازی توالی‌های پروتئین گیاهی هستند. همچنین پایگاه‌های اطلاعاتی ثانویه مانند PROSITE، PRINTS و BLOCKS وجود دارد و توالی‌هایی که در آنها وجود دارد، داده‌های خام نیستند، بلکه از داده‌های پایگاه‌های داده اولیه مشتق شده‌اند. پایگاه‌های اطلاعاتی اولیه بیوانفورماتیک بر جمع‌آوری داده‌ها تاکید اولیه داشتند. برای مثال، طول ژنوم ذرت تقریباً به اندازه ژنوم انسان است و تا چند سال دیگر به طور کامل توالی‌یابی نخواهد شد. اما برنجی که یک دهم اندازه انسان است، از قبل توالی شده است. از آنجایی که این دو دانه از نظر تکاملی ارتباط نزدیکی دارند، نقشه های خاصی با موفقیت ایجاد شده است که نقشه ژنتیکی ذرت را به توالی ژنوم برنج مرتبط می کند. این به تحلیلگران اجازه می دهد تا یک ویژگی نقشه برداری ژنتیکی را در ذرت دنبال کنند، مانند تحمل به سطوح بالای نمک در خاک، در نتیجه ژن های کاندید برای تحمل نمک را تشخیص دهند. چند الگوریتم پر استفاده در بیوانفورماتیک عبارتند از:
* هم ردیف سازی چند توالی: هم ردیف سازی چندگانه روابط بین دو یا چند توالی را نشان می دهد. هنگامی که توالی های درگیر متفاوت هستند، بقایای حفاظت شده اغلب بقایای کلیدی مربوط به حفظ پایداری ساختاری یا عملکرد بیولوژیکی هستند. هم ردیف سازی چندگانه می تواند سرنخ های زیادی را در مورد ساختار و عملکرد پروتئین فاش کند. متداول‌ترین نرم‌افزار تراز مورد استفاده ClustalW است.
* الگوریتم‌های جستجوی شباهت توالی: احتمالاً پر استفاده‌ترین آنها FASTA و BLAST هستند. هر دو ابزار BLAST و FASTA جستجوهای بسیار سریعی را در پایگاه داده های توالی ارائه می دهند.
* ابزارهای مقایسه ژنوم: MegaBlast یک الگوریتم مبتنی بر NCBI BLAST برای جستجوی تشابه توالی بزرگ است.
 

اصلاح نباتات مولکولی

زمانیکه از ابزارهای بیوانفورماتیکی استفاده می شود، تفاوت بین اصلاح نژاد و ژنتیک مولکولی از بین خواهد رفت. پرورش دهندگان از مدل های کامپیوتری برای فرموله کردن فرضیه های پیش بینی برای ایجاد فنوتیپ های مورد علاقه از ترکیب آلل های پیچیده استفاده می کنند، و سپس آن ترکیب ها را با به ثمر رساندن جمعیت های اصلی برای تعداد زیادی از نشانگرهای ژنتیکی ایجاد می کنند. منبع عظیمی از جمله دانش اصلاحی جمع آوری شده در دهه‌های گذشته مستقیماً با زیست‌شناسی گیاهی پایه مرتبط می‌شود و توانایی شفاف‌سازی عملکرد ژن را در موجودات مدل افزایش می‌دهد. ژن های ارتولوگ در یک گونه مدل مانند آرابیدوپسیس یا برنج، ممکن است ارتباط شناخته شده ای با یک ویژگی کمی مانند آنچه در محصول مشاهده می شود نداشته باشند، اما ممکن است در یک مسیر خاص یا زنجیره سیگنالینگ توسط آزمایش های ژنتیکی یا بیوشیمیایی دخیل باشند. فنوتیپ های خاص مورد علاقه تجاری که انتظار می رود با این پیشرفت به طرز چشمگیری بهبود یابد شامل بهبود عواملی است که مقدار و نوع موادی که گیاهان تولید می کنند را تغییر می دهد . مثالها عبارتند از:
*تحمل به تنش غیر زیستی (سرما، خشکسالی، غوطه وری، نمک)
* تحمل تنش زیستی (قارچی، باکتریایی، ویروسی)
* مدیریت فرایندها و پیری گیاهان (اندازه و شکل گیاه، زمان تکامل و پیری)
* تقسیم متابولیت (تغییر مسیر جریان کربن از طریق مسیرهای موجود یا حرکت به مسیرهای جدید).


 اصلاح منطقی گیاه
پیامدهای ژنومیکس در رابطه با غذا، خوراک و تولید فیبر را می توان در بسیاری از زمینه ها تجسم نمود. در اساسی ترین سطح، پیشرفت در ژنومیکس به طور قابل توجهی به کسب دانش سرعت می بخشد و به نوبه خود مستقیماً بر بسیاری از جنبه های فرآیندهای مرتبط با اصلاح گیاه تأثیر می گذارد. آگاهی از عملکرد همه ژن‌های گیاهی، با توجه به توسعه بیشتر ابزارهای اصلاح و بررسی ژنوم، منجر به تکامل یک الگوی مهندسی ژنتیک اصیل می‌شود که در آن می‌توان تغییرات منطقی را مدل‌سازی نمود. ژنومیکس به معنای درک اساس ژنتیکی و مولکولی کلیه فرآیندهای بیولوژیکی در  گونه های مختلف گیاهی است. این درک کمک به نگهداری کارآمد از گیاهان به عنوان منابع بیولوژیکی در توسعه ارقام جدید با کیفیت بهبود یافته و کاهش هزینه های اقتصادی و زیست محیطی ضروری است. ویژگی هایی که در درجه اول اهمیت قرار می گیرند عبارتند از مقاومت به تنش های زیستی و غیرزیستی، صفات کیفی و صفات کمی تعیین کننده بازده. اکنون می توان یک برنامه ژنومی را به عنوان یک ابزار بسیار مهم برای بهبود گیاهان در نظر گرفت. چنین رویکردی برای تعیین ژن های کلیدی و درک عملکرد آنها منجر به "جهش کوانتومی" در بهبود گیاه می شود. علاوه بر این، بررسی بیان ژن به ما این امکان را می دهد که متوجه شویم گیاهان چگونه به محیط فیزیکی خود واکنش نشان می دهند و با آنها تعامل دارند. این اطلاعات، همراه با فناوری مناسب، ممکن است معیارهای پیش بینی کننده سلامت و کیفیت گیاه را فراهم کند و به بخشی ضروری از آینده تبدیل شود. داده‌های ژنومی حاصل از تحقیقات پژوهشگران مختلف در سراسر جهان نه تنها اطلاعات توالی، بلکه اطلاعات مربوط به جهش‌ها، نشانگرها، نقشه‌ها، اکتشافات عملکردی و غیره را در بر می‌گیرند.



منبع: BIOTECH-Go