بیوتکنولوژی و کاربرد آن در کشاورزی

اشاره:

بیوتکنولوژی و مهندسی ژنتیک دانش جدیدی است که نخستین دستاوردهای آن در هاله ای از بیم و امید ارزیابی می شود. در طول تاریخ بسیاری از پدیده های علمی در مرحله آغازین با تردید و مقاومت شدید روبه رو بوده اند. صدها نمونه از وقایع تلخ و شیرینی که بر این اساس رقم خورده، قابل شمارش است، اما کمتر دانشی به اندازه مهندسی ژنتیک با ساختار اصلی و قانونمند سامانه هستی درگیر شده است.دهه اخیر شاهد تحولاتی اعجاب آور و تحسین برانگیز در زمینه تولید فرآورده های حاصل از مهندسی ژنتیک و تکنولوژی زیستی بوده است. چنان که پیش بینی می شد، در آغاز هزاره سوم میلادی نیز بر سرعت تحولات در این زمینه افزوده شده است. تحولاتی که به همراه فنآوری ارتباطات سرنوشت اقتصادی و حتی اجتماعی و بعضاً سیاسی برخی از مناطق جهان را تحت تأثیر قرار خواهد داد. مهندسی ژنتیک و دست ورزی گیاهان زراعی و تولید گیاهان با مقاومت مطلق در مقابل آفات و امراض نباتی و بی نیاز از کاربرد سموم خطرناک تحولی را در کشاورزی ایجاد کرده است که تنها با «انقلاب سبز» قابل مقایسه است  .

مقدمه

کلمه بیوتکنولوژی اولین بار در مجمع سازمان ملل متحد ، در شهر لیدز انگلستان و در سال 1920 به کار برده شد . بیوتکنولوژی یکی از مدرن ترین شاخه های زیست شناسی است که مجموعه ای از علوم بیوشیمی ، میکروبیولوژی سلولی ، بیولوژی ، مهندسی ژنتیک و ... را شامل می شود. در دهه ششم از قرن بیستم اصلاح گران نباتات توانستند عملکرد بالایی از واریته های جدید به دست آورده و بدین ترتیب انقلاب سبز را به وجود آوردند . اما همزمان با افزایش جمعیت ، این افزایش نتوانست کمبود مواد غذایی را جبران کند لذا دانشمندان به تحقیق در این زمینه پرداختند. پیشرفت های جدید زمینه های جدید را بوجود آورده که با کمک آن می توان از میکروارگانیزم ها برای تولید محصولات تجاری متفاوت شامل مواد غذایی و دارو بهره گرفت. به همین کیفیت تکنیک هایی برای تشخیص بیماری ها ، تولیدات شیمیایی بیولوژی و سوخت برای آینده مورد استفاده قرار گرفته است. مهندسی ژنتیک یکی از ابزارهای کارآمد بیوتکنولوژی می باشد که هدف از آن، شناخت ساختمان و کارآیی ژن ، تولید پروتئین و مواد اولیه مفید دیگر به وسیله روش های متداول و نوظهور و تولید گیاهان و حیوانات تراریخته با ویژگی های مطلوب می باشد.البته باید توجه داشت که مهندسی ژنتیک با ژنتیک تفاوت داشته ، بدین ترتیب که ژنتیک بیشتر یک علم است و به بررسی نحوه انتقال صفات از والدین به فرزندان می‌پردازد و از ابتدای قرن ۲۰ پس از کشف مجدد قوانین مندل به صورت یک علم نوین ظهور کرد ، اما مهندسی ژنتیک یک فناوری یا یک تکنیک است که با استفاده از علوم مختلف طی دست‌ورزی یا دستکاری ژنتیکی موجودات زنده در سطح مولکول DNA تغییراتی در موجودات ایجاد می‌شود. مهندسی ژنتیک بخشی از بیوتکنولوژی مدرن امروزی است که از دهه ۸۰ میلادی به طور جدی مطرح شده است.

پیدایش و تعریف بیوتکنولوژی:

منشا بیوتکنولو ژی به دوران ما قبل تاریخ بر می گردد، زمانی که از میکروارگانیزم ها برای فرایندهایی همچون تخمیر ، تولید ماست و پنیر از شیر، تولید سرکه از ملاس ، تولید بوتانول و استون از نشاسته توسط clostridium acetobutilycum و یا تولید آنتی بیوتیک هایی نظیر پنیسیلین از penicillium notatum استفاده کرده اند. معذالک با کشف آنزیم های برشی در دهه 1970 بیوتکنولو ژی پیشرفت قابل ملاحظه ای کرد و به ابداع فنون متنوعی در فرآوری ژن انجامید ، به طوری که به عنوان مهمترین انقلاب علمی این قرن در نظر گرفته می شود. گرچه بیوتکنولوژی در سال 1970 فراگیر شد اما نتایج اولیه آزمایشگاهی آن فقط بعد از سال 1980 نمایان شد.

در واقع بیوتکنولو ژی محصول تعامل بین علم بیولو ژی و تکنولو ژی است. به منظور تعریف بیوتکنولو ژی پیشنهاداتی ارایه شده است و محققین مختلف تفاسیر متفاوتی از این فنآوری ارایه داده اند. معذالک تعاریف زیر به نظر می رسد که مناسب ترین تعاریف باشند:

1-  کاربرد علم و مهندسی در استفاده مستقیم یا غیر مستقیم از موجودات زنده و یا اجزا و تولیدات آنها در حالت طبیعی یا تغییر یافته آن موجودات

2-  استفاده تلفیقی از علوم بیوشیمی میکروبیولوژی و مهندسی به منظور نایل شدن به استفاده صنعتی از قابلیت های میکروارگانیزم ها، سلول های بافت کشت شده و اجزای متعلق به آنها (فدراسیون بیوتکنولوژی اروپا )

3- استفاده کنترل شده از عوامل بیولوژیکی از قبیل میکروارگانیزم ها یا اجزای سلولی برای استفاده مفید (فرهنگستان علوم ایالات متحده)

4- تولید فرآورده ها از طریق فرآیند زیستی که مستلزم فنون مهندسی است (فرهنگستان علوم جمهوری اسلامی ایران )

یکی از مشکلات اصلاح نباتات کلاسیک و مرسوم این است که دامنه موجوداتی که امکان مبادله ژن در بین آنها وجود دارد ، به دلیل موانع گونه ای شدیدا محدود است. فنآوری جدید راهکار بهتری را برای کنترل و دست ورزی اهداف فراهم کرده اند و حصار های خاص گونه ای مانعی بر سر راه آنها محسوب نمی شود. این فنون جایگزین اصلاح نباتات مرسوم نیستند بلکه با ایجاد روش های نوین دسترسی به اهدافی که با روش های مرسوم امکان پذیر نیست را ممکن می سازند.

فواید بیوتکنولوژی

بیوتکنولوژی جبهه علمی هیجان انگیزی را در کشاورزی گشوده است. تکنیک های جدید حاصل از بیوتکنولوژی در مقایسه ، سریع ، بسیار ویژه و در مصرف منابع کارآمد هستند.اکنون دیگر قدرت بیوتکنولوژی قدرتی تخیلی نیست. در چند سال اخیر توانسته ایم آنچه را که تنها در فکر می گذشت به فعل در آوریم . به طور نمونه دانشمندان یاد گرفته اند که چگونه با تغییر ژنتیکی بعضی گیاهان مقاومت آنها را در برابر برخی علفکش ها افزایش دهند یا با استفاده از بیوتکنولوژی توانسته اند واکسن های مطمئن و کارآ تری را علیه بیماری های ویروسی و باکتریایی نظیر هاری کاذب، اسهال و تب برفکی بسازند. بیوتکنولوژی امروزه توانسته است بر روی ژن موجودات زنده کار کند و در جهت هدف های پیش بینی شده تغییراتی را ایجاد کند که از این منظر عبارت از دخالت مستقیم در محتوای اطلاعات وراثتی سلول های زنده و توفیق در تولید گونه های جدید و بهتر است.

روش های جدید بیوتکنولوژی در علم کشاورزی شامل کشت سلولی، کشت بافت و پروتوپلاست گیاهی ، هیبرید سلول های سوماتی، دستکاری و انتقال جنین و DNA نوترکیب در شناسایی تبیین ماهیت انتقال و کنترل ژن است. دانشمندان بسیاری از این روش ها را برای بهینه سازی گیاهان و جانوران به کار برده اند. برای نمونه بیش از 40 نوع گیاه از الحاق پروتوپلاست تولید شده است که سیب زمینی و گوجه فرنگی از جمله این نمونه ها به شمار می رود. کشت‌ بافت‌ به‌ عنوان‌ یکی‌ از بنیادی ‌ترین‌ روش‌های‌ فن‌آوری ‌بیوتکنولوژی‌ امروزه‌ به‌ صورت‌ گسترده‌ مورد استفاده‌ دانشمندان‌ قرارگرفته‌ است‌. طی‌ این‌ روش‌ها می‌توان‌ از یک‌ سانتی‌ متر مکعب‌ از بافت‌ یااندام‌ گیاه‌، چندین‌ میلیون‌ سلول‌ همانند تولید کرد که‌ بطور بالقوه‌ای ‌می‌توان‌ از آنها میلیون‌ها بوته‌ با خواص‌ یکسان‌ بدست‌ آورد. طی‌ این‌ شیوه ، ‌امکان‌ مطالعه‌ بهتر گیاه‌ در کم ‌ترین‌ زمان‌ و با بیش‌ترین‌ ضریب‌ اطمینان ‌ممکن‌ می‌باشد. برای‌ نمونه‌ در یک‌ آزمایشگاه‌ تحقیقاتی‌ به‌ نام‌ ماکس‌پلانک‌ (MAX Planck) در آلمان‌، ضمن‌ آزمایشی‌ معلوم‌ شد که‌ ازمیان‌ 42 هزار بافت‌ سیب ‌زمینی‌ مورد آزمایش‌ فقط 73 بافت‌ یعنی‌ (4درصد بافت‌ها) در برابر قارچ‌ سیب‌ زمینی‌ مقاوم‌ بودند. بافت‌ مقاوم‌ تکثیرگردیده‌ و گیاهان‌ مقاوم‌ به‌ قارچ‌، سپس‌ به‌ مزرعه‌ منتقل‌ گردیدند. این‌شیوه‌ دست‌یابی‌ به‌ گونه‌های‌ مقاوم‌ فقط در مدت‌ 8 ماه‌ عملی‌ گردید، درصورتی که‌ در سال‌های‌ 1975 تا 1980 این‌ کار از طریق‌ روش‌های‌ اصلاح‌نباتات‌ حداقل‌ 10 تا 15 سال‌ زمان‌ می‌طلبد. این‌ کار در گیاهان‌ دیگر ازجمله‌ نخل‌ روغنی‌ حداقل‌ 30 سال‌ زمان‌ نیاز دارد. در حال‌ حاضر درکشورهای‌ صنعتی ‌، این‌ شیوه‌ بسیار رواج‌ یافته‌ و تحولات‌ شگرفی‌ در تولیدگونه‌های‌ گیاهان‌ زراعی‌ با خصوصیات‌ جدید بوجود آمده‌ است‌.

بیوتکنولوژی‌، روش‌های‌ جدید بهینه ‌سازی‌ گیاهان‌ به‌ طور مقرون‌ به‌صرفه‌ و از طرق‌ مختلف‌ را ممکن‌ ساخته‌ است ، که‌ برای‌ نمونه‌ می‌توان‌ به‌افزایش‌ مقاومت‌ در مقابل‌ خطرات‌ و بیماری‌ها، راه‌های‌ جدید مبارزه‌ باعلف‌های‌ هرز، مقاومت‌ بیشتر در مقابل‌ فشارهای‌ جوی‌ و محیطی‌ ازجمله‌ خشکسالی‌، سرما و نمک‌ و مواد شیمیایی‌ (مثل‌ آلومینیم‌)، استفاده ‌بهتر از مواد مغذی‌ مثل‌ نیتروژن‌، بهبود کیفی‌ فرآورده‌ها از طریق‌ ایجادتغییراتی‌ در ویژگی‌های‌ موادی‌ مثل‌ اسیدهای‌ چرب‌، اسیدهای‌ آمینه‌،طعم‌، مزه‌ و قابلیت‌ حفظ کیفیت‌ به‌ هنگام‌ ذخیره‌سازی‌ و بهبود درچگونگی‌ متابولیسم‌ گیاهی‌ (مثل‌ استفاده‌ از نیتروژن‌ فتوسنتز)، تولید گل ‌و دانه‌ و تقسیم‌ مواد غذایی‌ بین‌ ساقه‌ و دانه‌ اشاره‌ نمود.

فواید مهندسی ژنتیک :

در طول تاریخ کشاورزی ، بشر از فرایند طبیعی مبادله ژنی در قالب اصلاح نباتات و به وجود آمدن تنوع خصایص بیولوژیکی استفاده نموده است. واقعیت فوق پشتوانه کلیه تلاش ها برای اصلاح گونه های کشاورزی ، خواه از طریق اصلاح نباتات و دام به صورت سنتی و یا از طریق تکنیک های بیولوژیکی ملکولی بوده است.در این دو مورد بشر، برای تولید انواع گیاهان و جانورانی که دارای صفات و خصایص مطلوب باشند ، مانند گیاهان مقاوم به بیماری ها و دام های خوراکی که در آنها نسبت ماهیچه به چربی زیادتر است ، تلاش کرده است .

دلیل اصلی و اولیه ایجاد مهندسی ژنتیک ناشی از رسیدن به اهداف سودمندی در علوم کاربردی ، بهداشتی و پزشکی به شرح ذیل بوده است :

1- شناخت ساختمان و کارآیی ژن

2- تولید پروتیین های مفید و مواد اولیه دیگر بوسیله روش های نوظهور متداول

3- تولید گیاهان و حیوانات تراریخته با ویژگی های مطلوب

تفاوت عمده میان اصلاح نبات و دام به صورت سنتی و روشهای "بیولوژیکی- ملکولی " انتقال ژن ها ، نه در هدف هاست و نه در فرآیندها، بلکه در سرعت ، دقت ، قابلیت اطمینان و دامنه کار قرار دارد . هرگاه متخصصان سنتی اصلاح دام و نباتات دو گیاه یا دام دارای قابلیت جنسی را با یکدیگر آمیزش می دهند، ده ها ژن با یکدیگر درهم می آمیزند ، هریک از والدین نیمی از ژنوم ( یا مجموعه ژنهای ) خود را در قالب ادغام سلولی تخم و اسپرم به نسل خود منتقل می کند ، لیکن ترکیب آن نیمه در هر یک از سلولهای جنسی والدینی و به تبع آن در هر آمیزش تفاوت می کند . قبل از وقوع ترکیب "مطلوب" ژن ها و ایجاد صفات مورد نظر در نسل بعد باید آمیزش های زیادی صورت پذیرد.

با استفاده از روش های بیولوژیکی ملکولی و مطالعه تاثیر تک تک ژن ها می توان برخی از این مسایل را حل نمود. دانشمندان به جای اتکا به ترکیب های متوالی تعداد متنابهی ژن برای کسب نتایج دلخواه می توانند هر ژن را به طور مجزا برای بررسی صفتی معین مستقیما در ژنوم سلول تخم قرار دهند.آنها نحوه تظاهر این ژن ها در رقم جدید گیاه یا دام را هم کنترل می کنند. خلاصه آنکه با تمرکز روی صفت مطلوب می توان از طریق انتقال ملکولی ژن مورد نظر، مدت زمان لازم برای ایجاد ارقام جدید را کوتاه نمود و سطح دقت مطالعه را بالا برد. همچنین می توان با استفاده از این روش ، ژن ها را میان گیاهان و یا جانورانی که از لحاظ جنسی قابل آمیزش نیستند مبادله نمود.

تکنیک های انتقال ژن ، کلید بسیاری از کار بست های بیوتکنولوژی هستند.اساس مهندسی ژنتیک عبارت است از توان شناسایی ژن مورد نظر یعنی ژنی که حاوی ویژگی مطلوب در موجودات است، مجزا کردن آن ژن ، مطالعه کارکرد و اصول فعالیت آن تغییر ژن و کار گذاشتن مجدد آن در میزبان طبیعی خود و یا گیاه و جانوری دیگر.این تکنیک ها ابزار هستند نه هدف . با استفاده از آنها می توان طبیعت و وظیفه و کارکرد ژن ها را شناسایی نمود ، اسرار مقاومت به بیماری ها را گشود ، رشد و نمو را تنظیم نمود و یا در نحوه ارتباط میان سلول ها و موجودات دخل و تصرف نمود.

مهندسی ژنتیک امکان ایجاد واریته ها و گیاهانی را فراهم می کند که دارای صفاتی هستند که دسترسی به آنها از روش های معمول غیرممکن است. برای مثال با دست ورزی ژنتیک برنج طارم مولایی ، نه تنها به کرم ساقه خوار برنج بلکه به کلیه آفات پروانه ای و برخی بیماری های قارچی مانند شیت بلایت مقاوم شده است.

صفت مقاومت مطلق به کرم ساقه خوار و بیماری شیت بلایت در هیچ یک از ۱۲۰۰۰۰ نمونه برنج نگهداری شده در مؤسسه بین المللی تحقیقات برنج مشاهده نشده است. با توجه به عدم دسترسی به ارقام مقاوم نمی توان از روش های سنتی اصلاح نباتات برای ایجاد چنین صفات مهمی استفاده کرد. منافع اقتصادی و زیست محیطی این قبیل واریته های زراعی بی نیاز از توضیح است. کاهش مصرف سموم، کاهش هزینه های تولید، افزایش عملکرد، محیط زیست سالم تر برای انسان، دام و آبزیان و به ویژه انطباق کامل این فناوری با روش های مبارزه تلفیقی از معدود مزایای کاربرد گیاهان تراریخته مقاوم به آفات و بیماری است.

در این رابطه به تازگی خبرهای مسرت بخشی مبنی بر رهاسازی و تولید انبوه اولین برنج تراریخته در ایران منتشر شده که این موفقیت میتواند کمک شایانی به افزایش تولید این محصول استراتژیک در کشورکند. این برنج تراریخته، با دست¬ورزی ژنتیکی رقم طارم مولایی در پژوهشکده بیوتکنولوژی کشاورزی تولید شده و نزدیک به 10 سال از اولین آزمایش¬های بررسی آن می¬گذرد. در این برنج با ابراز ژن مسئول تولید پروتئینی کریستالی موسوم به Cry1A(b) در برگ گیاه، به محض تغذیه لارو حشره آفت از قسمت سبز گیاه، طی یک واکنش که فقط در محیط قلیایی دستگاه گوارش این حشره صورت می¬گیرد، آفت نابود می¬شود و هیچ اثر منفی دیگری بر سایر حشرات مفید موجود در مزرعه وجود نخواهد داشت. علاوه بر این مبارزه اختصاصی با آفت، عدم ابراز ژن مذکور در دانه برنج نیز در این برنج تراریخته رعایت شده است، گرچه این پروتئین برای انسان مضر نیست و محاسبات انجام شده نشان داده که میزان پروتئین Cry1A(b) موجود در چندین هزار کیلو ذرت Bt نه تنها هیچ اثر منفی بر موش نداشته، بلکه به عنوان یک پروتئین غذایی برای مصرف انسان (حتی کودکان و نوزادان) مورد تائید قرار گرفته است. این برنج ، بدون مصرف هرگونه سم در برابر تمامی آفات پروانه‌ای این گیاه از جمله انواع برگ‌خوارها‌ و همچنین کرم ساقه‌خوار که از جمله مهمترین آفات برنج در کشور ما بوده و بیشترین میزان سموم مصرفی را به خود اختصاص داده‌اند، مقاوم است.

در یک جمع بندی این گونه نتیجه گیری شده است که بهره گیری از روش های مهندسی ژنتیک منجر به تولید محصولات مقاوم در برابر آفات باارزش غذایی بالاتر می شود، انعطاف بیشتری در عملیات زراعی به وجود می آورد و به دلیل کاهش مصرف سموم دفع آفات نباتی برای محیط زیست جهان مفید خواهد بود.

اهمیت بیوتکنولوژی

توسعه‌ پایدار در مفهوم‌ گسترده‌ خود عبارت‌ از اداره‌ و بهره‌برداری ‌صحیح‌ و کارای‌ منابع‌ پایه‌، منابع‌ طبیعی‌، منابع‌ مالی‌ و نیروی‌ انسانی‌ برای ‌نیل‌ به‌ الگوی‌ مصرف‌ مطلوب‌، همراه‌ با به کارگیری‌ امکانات‌ فنی‌، ساختار وتشکیلات‌ مناسب‌ برای‌ رفع‌ نیاز نسل‌های‌ امروز و آینده‌، به‌ طور مستمر وقابل‌ رضایت‌ می ‌باشد. بر اساس‌ این‌ تعریف‌، فنآوری‌، کلیدی‌ مهم‌ برای‌بهره‌وری‌ بیشتر و بهینه‌ از منابع‌ محدود طبیعی‌ است‌ که‌ به‌ توسعه‌ پایداردر تمام‌ ابعاد منجر می‌گردد. لذا برآیند توانایی‌ و ظرفیت‌های‌ یک‌ کشور، برای‌ انتخاب‌، تشخیص‌ و انطباق‌ یک‌ فن‌آوری‌ بی‌خطر و مناسب‌ برای ‌محیطزیست‌ می‌تواند معیاری‌ برای‌ خودکفایی‌ پایدار و در نهایت‌ نیل‌ به‌توسعه‌ پایدار جهانی‌ باشد. امروزه‌ بیوتکنولوژی‌ و به ویژه‌ نوع‌ مدرن‌ آن‌، یکی‌از ابزارهای‌ نیرومند تکنولوژیک‌ محسوب‌ می‌شود که خود به‌ دلیل ‌ظرفیت‌، توان‌ بالقوه‌ و قابل‌ توجه‌اش‌، اثرات‌ شگرفی‌ بر جامعه‌ از حیث‌اقتصادی ‌، علمی‌ و اجتماعی‌ گذارده‌ است‌.

بیوتکنولوژی‌ نه‌ تنها می‌تواند در افزایش‌ سطح‌ قابلیت‌ها وتوانمندی‌های‌ بخش‌های‌ مختلف‌ جامعه‌ مؤثر باشد، بلکه‌ حتی‌ می‌تواندمنجر به‌ بهبود مناسب‌ روش‌ها و فرآیندهای‌ متنوع‌ تولیدی‌ و خدماتی‌ درزیربخش‌های‌ چون‌ کشاورزی‌ و پزشکی‌ گردد.هدف‌ و انگیزه‌ اغلب‌ کشورهای‌ در حال‌ توسعه‌ از به‌ کارگیری ‌بیوتکنولوژی‌ این‌ است‌ که‌ بتوانند آن‌ را در خدمت‌ توسعه‌ و بهبود وضعیت ‌صنایع‌ کشاورزی‌ دارویی‌ و غذایی‌ در آورند. ضمن‌ اینکه‌، بتوانند مواد خام ‌و کم‌ارزش‌ را به‌ فرآورده‌هایی‌ با ارزش‌ افزوده‌ بالا تبدیل‌ و یا زمین‌های‌ بایرو کم ‌حاصل‌ را حاصلخیز و غنی‌ کنند. در این‌ میان‌ آگاهی‌ و شناخت‌عمومی‌ جامعه‌ از اثرات‌ بیوتکنولوژی‌ بیشتر محدود و معطوف‌ به‌ کاربردها، محصولات‌ و فرآورده‌های‌ بیوتکنولوژی‌ مدرن‌ است‌، در حالیکه‌ با فراگیرشدن‌ کاربردهای‌ بیوتکنولوژی‌ در حوزه‌های‌ کشاورزی‌، صنعت‌ و محیطزیست‌ اثرات‌ و جنبه‌های‌ اقتصادی‌ بیوتکنولوژی‌ نیز فراگیر شده‌ و با توجه‌به‌ روند یکپارچه‌ شدن‌ مسائل‌ اقتصادی‌ جهانی‌، این‌ اثرات‌ افزایش‌بیشتری‌ خواهد یافت‌.از جمله موارد استفاده بیوتکنولوژی در صنعت می توان به روند شیرین سازی شکر، تولید ویتامین های آلی و آمینواسیدها ، تولید سوخت متان از فرآورده های پسماند و توسعه سوخت هیدروژن اشاره کرد. جایگاه‌ بیوتکنولوژی‌ در محیط زیست‌ به‌ قدری‌ حایز اهمیت‌ گردیده‌است‌ که‌ شاخه‌ جدیدی‌ از بیوتکنولوژی‌ به‌ نام‌ Bioromodiation به‌ وجود آمده‌ است‌ که‌ عبارت‌ از علم‌ استفاده‌ از باکتری‌ها و میکروارگانیسم‌ها در پاکسازی‌ آلودگی‌های‌ محیطی‌ است‌. بیوتکنولوژی‌ درحوزه‌ محیط زیست‌ می‌تواند در یافتن‌ نژادهای‌ مؤثر برای‌ تصفیه‌ بهترفاضلاب‌، خاک‌های‌ آلوده‌ و بقایای‌ نفتی‌ کمک‌ کند. دانش‌ بیوتکنولوژی‌ درکاهش‌ اثرات‌ مخرب‌ کشاورزی‌ بر محیط، حفظ خاک‌ و استفاده‌ بهینه‌ ازمنابع‌ کشاورزی‌ گام‌ برداشته‌ است‌.بیوتکنولوژی‌ گیاهان‌ زراعی‌ نیز منجر به‌ افزایش‌ کمی‌ و کیفی‌ گیاهان‌زراعی‌ گشته‌ است‌. از این‌ دانش‌ در توسعه‌ ارقام‌ جدید گیاهی‌ با فوایدبسیار زیادتر نسبت‌ به‌ ارقام‌ قدیمی‌ استفاده‌ می‌شود. ولی‌ مهندسی‌ژنتیک‌ قادر است‌ این‌ فرآیند را تسریع‌ و دقت‌ آن‌ را افزایش‌ دهد.درک کارآیی گیاهان تراریخته از سوی کشاورزان به حدی بوده است که در عرض کمتر از ۷ سال سطح زیر کشت گیاهان تراریخته(Transgenic) ۳۵ برابر افزایش یافته و سطحی بالغ بر 7/58 میلیون هکتار از اراضی جهان را به خود اختصاص داده است.

با توجه‌به‌ مسائل‌ ذکر شده‌ ، بطور اخص‌ می‌توان‌ اهمیت‌ کاربرد بیوتکنولوژی‌ درکشاورزی را بصورت‌ ذیل‌ بیان‌ نمود:

الف‌- کاربرد بیوتکنولوژی‌ در کشاورزی‌ موجب‌ افزایش‌ تولیدمی‌گردد. نمونه‌هایی‌ از این‌ تأثیر تولید فرآورده‌های‌ جدید دامی‌ و یا تولید مثل‌ برای‌ به دست‌ آوردن‌ گاوهایی‌ با شیردهی‌ بیشتر است‌.

ب- به‌کارگیری‌ بیوتکنولوژی‌ در کشاورزی‌، موجب‌ کاهش‌ هزینه‌های‌کشاورزی‌ می‌گردد. (مانند ایجاد گیاهان‌ مقاوم‌ به‌ آفات‌ که‌ استفاده‌ از آفت‌کش‌ها را به‌ حداقل‌ کاهش‌ می‌دهد)

ج- به‌ کارگیری‌ این‌ تکنولوژی‌ امکان‌ بالقوه‌ برای‌ تولید غذاهایی‌ باکیفیت‌ بالا، فرآورده‌هایی‌ با ارزش‌ افزوده‌ بیشتر و متناسب‌ با انتظارات‌مصرف‌ کننده‌ و صنایع‌ تبدیلی‌ غذایی‌ را به‌ وجود آورده‌ است‌ (گوشت‌های‌کم‌چربی‌، بذرهای‌ روغنی‌ با مقدار چربی‌ تغییر یافته‌، سبزی‌ هایی‌ باانبارگی‌ طولانی‌تر، نمونه‌هایی‌ از این‌ مورد هستند)

د- امید می‌رود که‌ بیوتکنولوژی‌ با ارائه‌ گیاهان‌ مقاوم‌ به‌ آفات‌ و امثال‌آن‌، روش‌هایی‌ را برای‌ مقابله‌ و کنترل‌ علف‌ها و آفات‌ در اختیار قرار دهد که‌ برای‌ محیط زیست‌ زیانی‌ نداشته‌ باشد.

کاربرد های بیوتکنولو‌‌ ژی در کشاورزی

دانش‌ بیوتکنولوژی‌ به‌ عنوان‌ عظیم ‌ترین‌ منبع‌ تکنولوژی‌ بشر در قرن ‌فعلی‌ مطرح‌ بوده‌ و آن‌ را انقلاب‌ سبز نوینی‌ برای‌ غلبه‌ بر فقر و گرسنگی ‌نامیده‌اند.حامیان‌ بیوتکنولوژی‌، معتقدند چنانچه‌ روند فعلی‌ رشد جمعیت‌ادامه‌ یابد، به‌ یقین‌ نسل‌های‌ آینده‌ بشری‌ با کمبود مواد غذایی‌ و فقر، روبرو خواهند شد. بنابراین‌ بایستی‌ روش‌های‌ مهندسی‌ ژنتیک‌ و اصلاح‌گیاهان‌ زراعی‌ پربازده‌ در دستور کار کشورها قرار گیرد. روش‌های‌ مهندسی‌ ژنتیک‌ و بیوتکنولوژی‌ گیاهی‌ می‌تواند، گونه‌هایی‌ از محصولات‌جدید را، حتی‌ در خاکهای‌ نامرغوب‌ و نا مساعد پرورش‌ دهد; همچنین ‌بذرهای‌ مقاوم‌ به‌ ویروس‌ و آفات‌ گیاهی‌ می‌توانند، کاربرد سموم‌ و موادشیمیایی‌ را محدود ساخته‌ و بازدهی‌ محصولات‌ را افزایش‌ بخشند.

به کارگیری‌ بیوتکنولوژی‌ نوین‌ در کشاورزی‌ منجر به‌ تولید فرآورده‌های‌ با کیفیت‌ بهتر، کاهش‌ هزینه‌ تولید آن‌ و تولید فرآورده‌هایی‌ باارزش‌ افزوده‌ بیشتر می‌گردد. به‌ همین‌ دلیل‌، امروزه‌ فعالیت‌های‌گسترده‌ای‌ در بخش‌ بیوتکنولوژی‌ برای‌ تبدیل‌ تحقیقات‌ پایه‌ای‌ به‌کاربردی‌ و توسعه‌ای‌ (تجاری‌) در حال‌ شکل‌گیری‌ است . به کارگیری‌ روش‌ها و فنون‌ مهندسی‌ ژنتیک‌ و بیوتکنولوژی‌ در کشت‌سلول‌ و بافت‌ گیاهان‌ به ویژه‌ گیاهانی‌ که‌ از جنبه‌ اقتصادی‌ و غذایی‌ اهمیت ‌فوق‌العاده‌ای‌ دارند، بسیار ارزشمند است‌. چرا که‌ در مقایسه‌ با شیوه‌های ‌کشت‌ و تکثیر معمولی‌ از این‌ روش‌ می‌توان‌ با هزینه‌ای‌ بسیار کمتر وسرعت‌ عمل‌ بیشتری‌ به‌ دودمان‌های‌ خالص‌ سلولی‌ و انتخاب‌ سالم ترین ‌بافت‌ گیاهی‌ با بازده‌ کمی‌ و کیفی‌ چشمگیری‌ نائل‌ شد. با به کارگیری ‌بیوتکنولوژی‌ می‌توان‌ گیاهی‌ را تولید کرد که‌ به‌ عواملی‌ همچون‌ سرما، گرما، رطوبت‌، خشکی‌، املاح‌، حشرات‌، آفات‌ ویروس‌ها و سایر عوامل‌بیماری زا مقاوم‌ باشند و علاوه‌ برآن‌ در مقایسه‌ با موجود طبیعی‌، مجهز به ‌مکانیسم‌های‌ دفاعی‌ اضافی‌ باشند. این‌ عوامل‌ قرن‌ها است‌ که‌ کشاورزان ‌را آزار داده‌ و لطمات‌ بی‌شمار اقتصادی‌ وارد کرده‌ است.بیوتکنولوژی‌ کاربردهای‌ امیدوار کننده‌ بسیاری‌ دارد، اما نه‌ یک‌ راه‌ حل عمومی‌ و نه‌ جایگزینی‌ برای‌ روش‌های‌ موجود است‌، بلکه‌ یک‌ روش‌کمکی‌ برای‌ حل‌ مشکلات‌ کشاورزی‌ است‌. نمونه‌های‌ فراوانی‌ ازکاربردهای‌ بیوتکنولوژی‌ در کشاورزی‌ امروز وجود دارد که‌ برخی‌ ازنمونه‌ها در ذیل‌ اشاره‌ می‌گردد:

کرم‌ اگروتیس‌ (شب‌پره‌ زمستانی‌) یکی‌ از حشرات‌ آسیب‌ رساننده‌ به‌غلات‌ است‌ که‌ معمولا به‌ وسیله‌ حشره‌کش‌ها با آن‌ مبارزه‌ می‌شود. باکتری ‌با سیلوس‌ تورژین ‌سیس‌ پروتئینی‌ تولید می‌کند که‌ کشنده‌ حشره‌ فوق‌است‌ ولی‌ این‌ باکتری‌ با غلات‌ همزیستی‌ ندارد . بیوتکنولوژیست‌ها برای‌حل‌ این‌ مشکل‌ ژن‌ پروتئین‌ تولیدی‌ این‌ باکتری‌ را به‌ باکتری ‌پسودوموناس‌ فلوئورسنس‌ که‌ در خاک‌ وجود داشته‌ است‌ و با سویاهمزیستی‌ دارد انتقال‌ دادند و سپس‌ با وارد کردن‌ این‌ باکتری‌ به‌ خاک‌محل‌ کشت‌ غلات‌، حشره‌ فوق‌ را کنترل‌ نموده‌ و صدمات‌ ناشی‌ از آن‌ راکاهش‌ دادند. این‌ مثال‌ نمونه‌ای‌ از کاربرد علم‌ بیوتکنولوژی‌ در کنترل‌حشرات‌ و آفات‌ محسوب‌ می‌شود.از فنآوری‌ بیوتکنولوژی‌ در کنترل‌ علف‌های‌ هرز نیز استفاده‌ گردیده ‌است‌.

برای‌ نمونه‌ بسیاری‌ از علفکش‌ها به دلیل‌ حضور ماده‌ای‌ بنام ‌گیلفوسیت‌ در علف‌کش‌ رانداپ‌ که‌ تأثیر منفی‌ بر فعالیت‌های ‌آنزیمی‌ حبوبات‌ دارد، در مزارع‌ حبوبات‌ قابل‌ استفاده‌ نیست‌.بیوتکنولوژیست‌ها توانسته‌اند با انتقال‌ ژن‌ مقاومت‌ به‌ گلیفوسیت‌ (که‌ آن‌را در نوعی‌ باکتری‌ به‌ نام‌ سالمونلا فلاتیفی‌ موریوم‌ یافته‌اند) به‌ گیاهان‌زراعی‌، واریته‌های‌ جدیدی‌ از ذرت‌، پنبه‌ و تنباکوی‌ مقاوم‌ به‌ علف‌کش‌هارا تولید نمایند.

استفاده‌ از بیوتکنولوژی‌ درگیاهان‌ زراعی‌ در افزایش‌ کیفی‌ گیاهان‌زراعی‌ نیز مؤثر بوده‌ است‌، به طوری که‌ گیاهان‌ تراریخته که‌ از طریق ‌بیوتکنولوژی‌ به‌ دست‌ آمده‌اند نسبت‌ به‌ ارقام‌ قدیمی‌ تولید بیشتری‌ داشته‌اند که‌ این‌ افزایش‌ بهره‌وری‌ به‌ دلیل‌ عواملی‌ چون‌ تحمل‌ به‌خشکی‌، مقاومت‌ به‌ حشرات‌، بیماری‌ها و قدرت‌ رقابت‌ بیشتر با علف‌های ‌هرز بوده‌ است‌‌. همچنین‌ بیوتکنولوژیست‌ها موفق‌ شده‌اند مکانیسمی‌ که‌ موجب ‌نرم‌شدگی‌ و فساد میوه‌هایی‌ چون‌ گوجه‌ فرنگی‌ می‌شود را با استفاده‌ ازروش‌های‌ مهندسی‌ ژنتیک‌ تحت‌ کنترل‌ خود در آورده‌ و موجب‌ حذف‌شیمیایی‌ موادی‌ می‌شوند که‌ موجب‌ رسیدگی‌ بیش‌ از حد محصول‌می‌شود. با استفاده‌ از این‌ تکنیک‌ ، گوجه‌ فرنگی‌ Flavrsavr را تولیدنمودند که‌ میوه‌ها به‌ حالت‌ طبیعی‌ رسیده‌ و پس‌ از برداشت‌، بدون‌ اینکه‌میوه‌ها در معرض‌ فساد قرار گیرند به‌ مسافت‌های‌ دور قابل‌ حمل‌ بودند.

ایجاد مقاومت‌ در مقابل‌ تنش‌های‌ محیطی‌ مانند خشکسالی‌، گرما،سرما، ازن‌ موجود در اتمسفر، نمک‌ و مواد کانی‌ از دیگر اهداف ‌بیوتکنولوژیست‌ها بوده‌ است‌. در این‌ مورد می‌توان‌ به‌ تولید سیب‌زمینی‌ وتوت‌ فرنگی‌ مقاوم‌ به‌ یخبندان‌ که‌ از طریق‌ مهندسی‌ ژنتیک‌ بدست‌ آمده‌،اشاره‌ نمودد.

کشت‌ سلولی‌ که‌ طی‌ آن‌ سلول‌های‌ گیاهی‌ رشد یافته‌ در محیطکشت‌، به‌ عنوان‌ منبع‌ تأمین‌ کننده‌ مواد ارزشمندی‌ محسوب‌ می‌گردند، ازدیگر کاربردهای‌ بیوتکنولوژی‌ می‌باشد. برای‌ نمونه‌، وانیل‌ معمولا از بذرگیاه‌ وانیلا بدست‌ می‌آید. استخراج‌ وانیل‌ از سلول‌های‌ گیاهی‌ کشت‌ شده ‌می‌تواند ارزان تر از روش‌های‌ سنتی‌ تمام‌ شود. علاوه‌ بر این‌ از کشت‌سلول‌های‌ گیاهی‌ در محیط کشت‌، می ‌توان‌ ساقه‌ و ریشه‌ تولید کرد که‌برخی‌ از این‌ اندام‌ها می‌توانند به‌ دلیل‌ جهش‌ دارای‌ صفات‌ متفاوتی ‌باشند که‌ قابل‌ بهره ‌برداری‌ خواهند بود.علاوه‌ بر موارد ذکر شده‌ به‌ اختصار، برخی‌ از کاربردهای‌ بیوتکنولوژی ‌را می‌توان‌ بصورت‌ ذیل‌ عنوان‌ کرد:

1- توسعه ظرفیت تثبیت نیتروژن در گیاهان غیر لگومینوز (مهندسان ژنتیک در حال کار کردن بر روی انتقال ژن نیف (nif) در گیاهان غیر لگومینوز بوسیله استفاده از ناقل E.Coli هستند)

2- مراقبت از گیاهان در مقابل بیماری های گیاهی ( گیاهانی مثل پایه نیشکر که از کشت بافت مریستمی به دست می آیند مقاومت بالایی نسبت به بیماری ها دارند)

3- توسعه گونه های جدید به وسیله گداختن پروتوپلاسم یا پروسه کلون سا زی

4- تولید ترکیبات‌ مؤثر و مهم‌ گیاهی‌ از راه‌ کشت‌ انبوه‌ سلولی‌

5- استفاده‌ از گیاهان‌ به‌ عنوان‌ عوامل‌ و منابع‌ تولید محصولات ‌زیست‌شناسی‌ و شیمیایی‌

6- مطالعه‌ فرآیندهای‌ رشد و نمو و تمایز آن‌

7- مقامت به تنش های زنده ( حشرات، ویروس ها و بیماری های قارچی و باکتریایی)

8- مقاومت به تنش های غیر زنده

9- مقاومت به علف کش ها

10- گیاهان تراریخت برای بهبود کیفیت ( کیفیت انباری )

11- گل های تراریخت برای رنگ گل

12- گیاهان تراریخت برای نر عقیمی

13- گیاهان تراریخت برای تولید بذور خاتمه دهنده ( به تکنولوژی که قابلیت حیات یا باروری بذور را پس از یک مدت معین خاتمه می دهد ، خاتمه دهنده یا Terminator technology می گویند. بدین ترتیب شرکت تولید کننده ، بذور نسل اول را می فروشد اما بذور و یا میوه های حاصل از این گیاهان فقط به عنوان غذا قابل استفاده هستند و اگر کشت شوند جوانه نخواهد زد )

14- گیاهان تراریخت به عنوان بیوراکتورها ( برای تولید ارزان مواد شیمیایی و دارویی که این پدیده به زراعت مولکولی یا Molecular farming معروف می باشد)

15- تولید پلاستیک قابل تجزیه زیستی (Biodegradable plastic )

16- استفاده‌ از آنزیم‌ها در تولید مواد شیرین‌ کننده‌ تولیدات‌ غذایی‌ انسان‌

17- کنترل‌ و دفع‌ آفات‌ گیاهی‌ و تهیه‌ انواع‌ کودهای‌ زیستی‌ وحشره‌کش‌های‌ میکروبی‌

18- اصلاح‌ ژنتیک‌ بذر و دانه‌های‌ روغنی‌

19- کاهش‌ اثرات‌ مخرب‌ کشاورزی‌ بر محیط خاک‌

20- غنی‌سازی‌ خاک‌ و حاصلخیز کردن‌ آن‌ با استفاده‌ از میکروارگانیسم‌های‌ تثبیت‌ کننده‌ ازت‌ و قارچ‌ میکوریزا

21- استفاده‌ از ایجاد مصونیت‌ برخی‌ مواد شیمیایی‌ گیاهان‌ در برابر امراض‌مزمن‌ انسانی‌

22- تهیه‌ نوعی‌ آلبومین‌ انسانی‌ در گیاهان‌ با دستکاری‌های‌ ژنتیکی‌

23- استفاده‌ از هورمون‌های‌ رشد در دام‌ها

24- تلقیح‌ مصنوعی‌ دام‌ها و بهره ‌گیری‌ از صفات‌ برتر ژنتیکی‌ در روش های‌انتقال‌ جنین‌

25-  کاربرد در صنایع‌ غذایی‌ تبدیلی‌ و کاهش‌ هزینه‌های‌ تولید موادغذایی‌

26-  تهیه‌ و تولید واکسن‌های‌ مفید و جدید برای‌ پیشگیری‌ از عفونت‌های ‌مرگ‌آور در دام‌ها و طیور

آینده :

کمتر شکی در مورد مدرن بودن بیوتکنولوژی وجود دارد . بدون شک این فن آوری یک مد زود گذر نیست. انتظارات ایجاد شده برای توسعه تجاری مقاومت به علف کش ها و حشرات ، آینده درخشانی را برای بیوتکنولوژی کشاورزی خاطرنشان می نماید.با توجه به شواهد اولیه ای که در مورد استفاده از انتقال ژن های جدید به منظور ایجاد لاین های گیاهی سودمند برای تولید مواد شیمیایی ، از مواد دارویی گرفته تا پلاستیک های قابل تجزیه زیستی وجود دارد ، چشم انداز آینده این تکنولوژی نیز امیدوار کننده است.بیوتکنولوژی کشاورزی در مسیر خود از شروع به کار بیوتکنولوژی تا تولید مزرعه ای محصولات تجاری با موانع متعددی از محدودیت های علمی و تکنولوژیکی تا مشکلات قانونی و مدیریتی ، عوامل اقتصادی و نگرانی های اجتماعی روبرو می باشد. فرضیه محافظه کارانه قوانین در اکثر کشور ها این است که تمام گیاهان تراریخت بطور بالقوه خطرناک هستند.خطرات احتمالی مرتبط با ژن منتقل شده ویا فنوتیپ ایجاد شده است نه روش های مورد استفاده برای انتقال ژن. تا کنون گزارشی در مورد اثرات مضر محیطی و یا دیگر خطرات پیش بینی نشده گیاهان تراریخت در هزاران آزمایش مزرعه ای صورت گرفته در عرصه بین المللی ارائه نگردیده است ، با این حال نگرانی های متعددی در رابطه با سیستم های کشاورزی ایجاد شده است. اکنون عکس العمل مصرف کننده به محصولات گیاهی تراریخت با آزادسازی تجاری واریته های پیشرفته در سطح تجاری سنجیده شده است. این آزاد سازی با افزایش انتشار اطلاعات در مورد گیاهان تراریخت به شکل قابل دسترس برای عموم ، همزمان گردیده است. با این حال همچنان که محدودیت های تکنیکی برداشته می شوند ، این احتمال وجود دارد که محدودیت های تجاری به اصلی ترین موانع تبدیل گردند. تکنولوژی های جدید که در این عرصه خلق می گردند کاملا اختراعی بوده و واجد شرایط احراز حق حفاظت انحصاری و ملاحظه حقوق مالکیت معنوی می باشند.