شهدت الحضارة الإنسانية تطوراً تقنياً مذهلاً في العصر الحديث مما أحدث تطوراً جوهرياً في جميع ميادين الحياة المختلفة. فألامس كانت ثورة الذرة والأعلام والاتصالات والفضاء و ثورة المعلومات والذكاء الاصطناعي مروراً بثورة النهضة الزراعية الخضراء التي نتج عنها اختراع الآلات الزراعية المتنوعة وإنتاج البذور المحسنة مما أدى إلى زيادة كبيرة في كمية المحصول وتحسين جودته. واليوم نعيش ثورة التقنية الحيوية والهندسة الوراثية التي آدت إلى التعرف على أسرار الكائن الحي عن طريق فك ومعرفة رموز الشفرة الوراثية ونقل المورثات (الجينات) من كائن حي إلى آخر. ويعتبر الإنتاج النباتي من أهم المجالات التي لعبت التقنية الحيوية والهندسة الوراثية فيها دورا بارزا بغرض تحسينه كما ونوعا خلال فترة قصيرة و بأقل تكلفة ممكنة، وذلك لتغطية الحاجة الملحة والمتزايدة للغذاء في ظل الزيادة المطردة لسكان العالم، حيث سخرت التقنية الحيوية سهولة التعرف على الصفات المرغوبة في المحاصيل الحقلية أو غيرها وبالتالي أمكن نقلها بصورة أكثر كفاءة و دقة الى النبات المستهدف حيث يحوي النبات الجديد خصائص جديدة مرغوبة تتميز عن سابقتها بمقاومة الآفات والأمراض والمبيدات أو عملية التحوير لصفات الثمار لتصبح أكثر جودة وقدرة على تحمل عمليات النقل والشحن والتخزين لفترات أطول. ولهذا أمكن بواسطة هذه التقنية التغلب على الكثير من المعوقات التي تواجه المربين في جمع العديد من الصفات المرغوبة في نبات واحد. 

            التعديل الوراثي بمفهومه العام هو تحوير أو إضافة جين أو أكثر من الجينات ( المورثات) الموجودة في نواة الخلية والمتمثل في شريط الحياة المزدوج (الدنا) "DNA" الحمض النووي الريبوزي منزوع الأوكسجين الذي يحمل جميع المعلومات الوراثية التي تخص الكائن الحي والتي تورث من جيل إلى أخر. حيث يتم عزل جزء من الحمض النووي DNA  الذي يحمل الصفة المراد إضافتها إلى النبات، علماً بأن مصدر الجين قد يكون من كائن حي أخر كالبكتيريا أو الفيروسات أو الفطريات لا علاقة فيما بينهما لتضيف خصائص جديدة مرغوبة إلى الكائن المستهدف. والخطوة الثانية هي أجراء بعض التعديلات على الجين مثل إضافة أو قطع جزء منه ليلائم البيئية الجديدة التي يوضع بداخلها ومن ثم إدخال الجين إلى الخلية المفردة وتحويل هذه الخلية إلى نبات كامل عن طريق زراعة الأنسجة.

            الجدير بالذكر أن هذه التقنية الحديثة ليست وليدة اليوم بل تطبيقاً متقدما للقوانين التي تحكم الوراثة والتوريث والتي أسسها العالم النمساوي جريجور مندل عام 1866م. الواقع أن كل المحاصيل المنزرعة  تقريبا قد تم تعديلها وراثيا على مدى العصور الماضية وتحويلها من حالتها البرية الأصلية إلى ما هي عليه ألان بواسطة التهجين وعمليات الانتخاب.

            تعتبر التقنية الحيوية علم جديد برز وتطور بشكل سريع ومذهل خلال العشرين سنة الماضية، حيث تستخدم الخلية النباتية أو الحيوانية أو الميكروبية لإنتاج مواد ذات فائدة كبيرة للبشرية وبالتالي تلعب دوراً هاماً في تحسين نواتج كل من النبات والحيوان بغرض استخدامها في الزراعة والصناعة والمجالات الطبية المختلفة.حيث أمكن نقل جينات معينة  لذا جعل من الحتمي امتلاك هذه التقنية الحديثة، حيث يتطلع العديد من الباحثين والمختصين لمعرفة التطبيقات الممكنة للتقنية الحيوية وخاصة في المجالات الزراعية مما سيساهم في زيادة الإنتاج الزراعي وذلك عن طريق إنتاج صنف جديد يتميز بصفات مرغوبة كما ونوعا وبطرق أكثر كفاءة وأسرع مقارنة بالطرق التقليدية.

            تضم المادة الوراثية في الكائنات الحية الراقية نوعين من الأحماض النووية: هما الحمض النووي الريبوزي منزوع الأوكسجين واختصاره الدنا او  Deoxyribonucleic acid (DNA) والحمض النووي الريبوزي يسمى الرنا أو Ribonucleic acid (RNA) وهذين الحمضيين يتكونا من العديد من النيوتيدات Nucleotides وكل نيوتيدة تحتوي على ثلاث أجزاء رئيسية: مجموعة الفوسفات وسكر خماسي وقاعدة نيتروجينية Nitrogen base تنتمي لأحد المجموعتين تبعاً لعدد حلقات الكربون النيتروجيني فالمجموعة الأولى البيورين Purine عبارة عن حلقتين وتضم الأدنين Adenine (A)  والجوانين Guanine (G) بينما المجموعة الثانية Pyrimidine تحتوي حلقة واحدة وتشمل الثيامين Thymine (T) والسيتوسين Cytosine (C) . ويختلف الحمض النووي الريبوزي الرنا RNA عن الدنا DNA  قليلاً من حيث وجود سكر الريبوزي بدلاً من السكر الريبوزي منزوع الأوكسجين والذي ترتبط به مجموعة الهيدروكسيل (HO) على ذرة الكربون رقم 2 بدلاً من ذرة الهيدروجين كذلك وجود القاعدة اليورسيل Uracil (U) محل الثيامين.

            من المعروف أن الدنا DNA يتكون من سلسلتين من العديد النيوكليوتيدات مكوناً خيط حلزوني مزدوج Double helix  والعمود الفقري لكل ذراع  Strand يتكون من وحدات من السكر وفوسفات متبادلة حيث أن الفوسفات ترتبط مع وحدات السكر المتتابعة من خلال روابط تكافئية بين مجموعة الفوسفات بين ذرتي الكربون 3، 5 وتتكون الروابط في احد الذراعين في الاتجاه 3─ 5 ويكون الذراع الآخر في الاتجاه المعاكس 5 ─ 3 حيث يرتبط الأدنين (A) مع الثيامين (T) والجوانين (G) مع السيتوسين (C) بروابط هيدروجينية وتكون نهايتا الشريط الحلزوني مختلفتين حيث تنتهي في احد طرفيها بالكربون رقم 5 والذي يحمل مجموعة فوسفاتية وفي الطرف الآخر بالكربون 3 والذي يحمل مجموعة هيدروكسيل كما في الشكل التالي.

طرق نقل الجينات

            يعرف النقل الجينى بأنه العملية التي يتم خلالها نقل جينات غريبة (foreign genes) عزلت مسبقاً من فيروسات أو بكتريا أو نباتات أو حيوانات إلى الكائنات الأخرى.  وحتى يكتب النجاح لهذه العملية يجب توفر طريقة نقل ذات كفاءة عالية تضمن نقل الجينات إلى عدد كبير من الخلايا وتوصيل الدنا الغريب إلى النواة وعدم الأضرار بالخلايا المحولة أو التأثير على كفاءتها في التخليق التجديدي لإنتاج نباتات محولة.  ويتوقف نقل الجينات على النجاح في إيلاج الدنا الغريب ضمن دنا النبات الأصلي.  وارتكزت أولى الطرق في نقل الجينات على المقدرة الطبيعية للبكتريا في نقلها.  لكن هذا الأسلوب قد تطور تطوراً كبيراً لرفع كفاءته كما ظهرت أساليب أخرى مختلفة جعلت عملية نقل الجينات أكثر كفاءة وسهولة.

نقل الجينات عن طريق الأجروبكتريم

            تنتج أمراض تدرن التاج (crown gall)  والجذر الشعرى (hairy root)  طبيعياً عن الإصابة بالأجروبكتريم  تيوميفاسينس (Agrobacterium tumefaciens) والأجروبكتريم  رايزوجينيس(Agrobacterium rhizogenes)  على التوالى.  وهذه البكتريا تتبع العائلة الريزوبية (Rhizobiaceae) وتوجد بكثرة في التربة وتصيب خلايا النبات بالقرب من الجروح وعادة عند منطقة التاج عند سطح التربة.  ويعتبر هذان النوعان من البكتريا ناقلين طبيعيين للجينات (natural gene vectors) فخلال الإصابة بهما ينقل جزء صغير من المادة الوراثية للبكتريا إلى التركيب الوراثي لخلايا النبات المضيف(. 

            تحتوى البكتريا على بلازميدات والبلازميدة عبارة عن جديلة صغيرة من الدنا تتخذ شكل حلقة منفصلة عن الكروموزومات يمكنها أن تتحرك من خلية بكتيرية إلى أخرى كما يمكنها التناسخ الذاتي. 

            وبمجرد دخول جزء من البلازميدة ضمن المادة الوراثية لخلية النبات تظهر تعبيرات الجينات المنقولة فى هذه الخلية.  فتنتج بروتينات جديدة في الخلايا المحولة وراثيا.  ولقد تم توصيف بعض هذه البروتينات ووجد أنها إنزيمات تتدخل في عملية إنتاج منظمات النمو (الأوكسين إندول حمض الخليك (indole-3-aceticacid) والسيتوكينين (cytokinin) ريبوزايلزياتين (ribosylzeatin)).  ويكون الإنتاج الغزير من الأوكسين والسيتوكينين هو السبب في تكون التدرنات.  ولقد استخدمت هذه الخاصية الطبيعية معمليا في نقل جينات معينة ذات أهمية كبيرة إلى النباتات ذات الفلقتين.  فتدرنات التاج التي تسببها  الأجروبكتريم  تيوميفاسينس تظهر خصائص مورفولوجية متعددة مثل تكون كتل من الخلايا التي تنمو بدون انتظام.  

            ويمكن نزع الجينات المسئولة عن تكون منظمات النمو من بلازميدة الأجروبكتريم  تيوميفاسينس (تجريد البلازميدة) واستبدالها بجينات أخرى وبالتالي يمكن أن تنقل هذه الجينات إلى أنسجة النباتات المصابة بالأجروبكتريم.  وتسمح إصابة نسيج النبات بالأجروبكتريم المجردة بالتخليق التجديدي لنباتات طبيعية مورفولوجيا وتحمل الجينات الغريبة المرغوب في نقلها والتي تستقر ضمن المادة الوراثية للنبات وغالباً ما تظهر وراثة مندلية.

تطبيقات على استخدام الهندسة الوراثية في الإنتاج النباتي

إنتاج نباتات مقاومة لمبيدات الحشائش

            من الشروط الواجب توافرها في مبيدات الحشائش أن تكون غير ضارة بالإنسان والحيوان وكائنات التربة وتقتل الحشائش بطريقة اختيارية لكنها لا تقتل النباتات المنزرعة.  لكن الواقع أن العديد  من مبيدات الحشائش يقتل النباتات المنزرعة والحشائش.

            ويعتبر إنتاج نباتات مقاومة لمبيدات الحشائش باستخدام الهندسة الوراثية أول تطبيق لهذه التقنية على النطاق التجاري.  ذلك وأن الأساس العلمي لميكانيكية مقاومة مبيدات الحشائش كان معروفاً.  كما أن هذه المقاومة غالباً ما تعتمد على جين واحد.  بالإضافة إلى أن هذا المجال قد وجد دعما مادياً كبيراً من الشركات المنتجة لمبيدات الحشائش. 

            هناك ثلاثة أساليب يمكن على أساسها إنتاج نباتات مقاومة لمبيدات الحشائش وأولها تحوير البروتين المتلقي لمبيد الحشائش بحيث يكون أقل قابلية للارتباط (bind) بالمبيد ولكن ما يزال له القدرة على القيام بوظائفه الحيوية الأخرى.  ويعتبر التعبير الفائق (over expession)  في إنتاج البروتين المتلقي لمبيد الحشائش الأسلوب الثاني لإنتاج نباتات مقاومة.  حيث يتبقى جزء كافٍ من هذا البروتين بعد المعاملة بالمبيد يستطيع القيام بمهامه الحيوية في الخلية.  وأخيراً يمكن إبطال التأثير السام لمبيد الحشائش (detoxification)  عن طريق نقل جينات تبطل هذا الأثر.

    إنتاج نباتات مقاومة للحشرات

            نظراً لتركيز الانتخاب في المحاصيل الاقتصادية على صفة المحصول الكبير في العقود القليلة الماضية اختلت العلاقة بين نباتات المحاصيل والحشرات.  ولقد أدى إتباع أفضل الأساليب الزراعية لتشجيع نمو النباتات والحصول على أكبر غلة منها إلى زيادة الضرر الذي تحدثه الحشرات.

            وبالرغم من اعتماد الإنسان على الكيماويات في مقاومة الحشرات والتي تتكلف أموالاً كثيرة فإن الفقد في المحصول الناشئ عن الإصابة بالحشرات مازال يشكل حوالي 13% من الناتج.  ولعل المشكلة الكبرى في مقاومة الحشرات بالكيماويات هي ظهور سلالات حشرية مقاومة للمبيدات المستخدمة.  فمثلاً استطاعت دودة  هيليوسيس  فيريسينس (Heliothis virescens) أن تطور مناعة ضد المبيد أورجانو كلوريد (organochloride) المستخدم في مقاومتها في حقول القطن.  كما أدى استخدام المبيدات فى مقاومة الحشرات إلى اختلال التوازن الطبيعي بين هذه الحشرات وأعدائها الطبيعية حيث قلت الأعداء الطبيعية للحشرات.  وقد لا تستخدم مبيدات الحشرات في الدول الفقيرة نظراً لارتفاع ثمنها مما يؤدى إلى تدهور كبير في إنتاج المحاصيل الزراعية ومن زاوية أخرى قد تستخدم المبيدات دون إجراءات وقائية مما يشكل خطورة كبيرة على عمال الزراعة ومصادر المياه والبيئة.  لذلك فإن إنتاج نباتات مقاومة للحشرات يشكل أهمية كبيرة في الحفاظ على البيئة وزيادة المحصول.

            يتميّز إنتاج نباتات مقاومة للحشرات عن طريق الهندسة الوراثية على استخدام الكيماويات في المقاومة بأنة يعطى حماية طوال الموسم ولا ترتبط بالظروف الجوية. كما إنها تكون وسيلة جيدة لحماية الأنسجة الحساسة للمبيدات الحشرية. كما يوفر استخدام المحاصيل المحورة وراثياً للمقاومة للحشرات التكاليف الباهظة التي تنفق عند استخدام المبيدات الحشرية كثمن لهذه المبيدات أو ماكينات الرش أو كأجور لعمال الرش كما تحمى العمال الزراعيين من خطر المبيدات الحشرية.  وتكون الحشرات التي تتغذى على المحاصيل هى فقط  العرضة للهلاك دون غيرها.  كما أن المواد المسببة للمقاومة تكون منحصرة فى أنسجة النباتات التي يظهر فيها تعبير الجينات المسببة لإنتاج هذه المواد وبالتالي فإنها لا تسبب تلوث البيئة.  كما أنه يمكن اختبار الجينات التي تسبب إنتاج مركبات مبيدة للحشرات دون أن تكون سامة للإنسان والحيوان.                                                   ولا شك أن إنتاج غذاء لا يحتوى على أثار متبقية للمبيدات يلاقى طلباً كبيراً فى الأسواق لاسيما بعد أن أصبح المستهلك على دراية بمدى خطورة استهلاك غذاء ملوث.                                                                                        توجد كثير من الاختلافات في مسار التمثيل الغذائي بين النباتات المختلفة والتي تؤدى إلى تراكم العديد من المركبات الثانوية في الأنسجة.  من بين هذه المركبات الثانوية تلك ذات الفاعلية الدفاعية ضد الحشرات.  ولقد أصبح لهذه المركبات أهمية خاصة في دراسات حماية النباتات.  يمكن عن طريق الهندسة الوراثية إنتاج نباتات محولة لها القدرة على إنتاج بروتين معين طارد أو قاتل للحشرات التي تتغذى على أنسجتها.  ولعل أكثر الأمثلة أهمية هو استخدام جينات معزولة من البكتريا باسيلص  ثيرينجينسيس (Bacillus thuringiensis) في إنتاج بروتينات ذات فعل مضاد للحشرات.

إنتاج نباتات مقاومة للأمراض

            نتيجة لاستخدام الطرق الحديثة في تربية النباتات والتوسع في استخدام الميكنة الزراعية تحسنت كمية ونوعية المحصول تحسناً كبيراً عما كانت عليه في الماضي.  ومع ذلك فإن المحاصيل المحسنة مازالت مهددة بالعديد من الأمراض بل أنها أصبحت مرتعاً خصباً للعديد منها مقارنة بالنباتات البرية لاستمرار الانتخاب لصفات معينة (مثل كمية ونوعية المحصول) بدرجة أكبر من الانتخاب لمقاومة هذه الأمراض. 

            أستخدم العديد من الكيماويات في مقاومة الأمراض الفطرية ومع ذلك عجزت عن مقاومة البكتريا والفيروسات.  ونظراً لما لاستخدام الكيماويات في المقاومة من آثار ضارة على البيئة أو نظراً لصعوبة مقاومة الأمراض بالكيماويات يصبح إنتاج نباتات مقاومة للأمراض بالأساليب الحديثة أمراً لا بديل عنه.  وبالرغم من أن استخدام تقنية الهندسة الوراثية قد بدأ حديثاً إلا أن هذا الأسلوب أصبح هاماً في مقاومة الأمراض.

إنتاج نباتات ذات خصائص أخرى هامة

مثل تحسين خصائص الثمار، تحسين خصائص البذور، تحسين خصائص الأزهار،  إنتاج البلاستيك في أنسجة النباتات وإنتاج نباتات تتحمل الجفاف.