المحاصيل السامة للحشرات Insects Poisoned Crops (صور تجهيز مبيدات الحشرات الجينية)

تقوم الشركات الأمريكية في الوقت الحالي بتسويق عدد من المحاصيل الحقلية والخضراوات السامة للحشرات من حرشفية الأجنحة مثل ديدان الجوز التي تصيب القطن وحفارات الذرة وكذلك العديد من الحشرات غمدية الاجنحة مثل خنافس البقول وخنفساء كولورادو التي تصيب البطاطا، وقد تم انتاج هذه المحاصيل باستخدام الهندسة الوراثية، فمثلاً صنف القطن Bollgrad والصنف Nucot N33 يعدان من الاصناف السامة لديدان الجوز وديدان براعم التبغ، كما يعد صنف الذرة Northrup King من الأصناف السامة لحفار ساق الذرة، وصنف البطاطا New Leaf Russet Burbank من الأصناف السامة لخنفساء كولورادو البطاطا.

في عام 1996 تم زراعة 203 مليون دونم بالقطن السام لحشرات حرشفية الأجنحة في الولايات المتحدة الأمريكية والتي شكلت 77% من مساحة الأراضي المزروعة بالقطن وتتوقع الشركة التي أنتجت هذا الصنف ان 80-90 % من الأراضي التي تزرع بالقطن في امريكا سوف تزرع بالقطن المعدل وراثياً في السنوات اللاحقة، وقد اثبتت التجارب ان القطن المعدل وراثياً ادى إلى زيادة الإنتاج بنسبة 8-10 % بالإضافة إلى تحسين خواص التيلة من حيث الطول والمتانة، غير أن القطن قد ظهرت فيه بعض الصفات غير المرغوبة مثل صفة الافرع الطويلة قليلة الجوز والمسماه Buggy Whip. اما صنف الذرة المعدل وراثياً فقد ادى إلى زيادة الانتاج بمعدل 3-9 بوشل للدونم وزادت تكلفة الدونم بحوالي خمسة دولارات فيما تقدر خسارة امريكا بحفار ساق الذرة بحدود 30% من المحصول.

ان نجاح استخدام جينات البكتريا في إنتاج نباتات قاتلة للحشرات دفع الباحثين إلى محاولة استخدام جينات كائنات اخرى في هذا المجال ومنها الجينات الخاصة بسموم العناكب والعقارب حيث تم نقلها إلى النباتات التي تصبح قاتلة للحشرات التي تتغذى عليها كما تم نقل الجين الخاص بسم الفطر Beauveria bassiana إلى نبات القطن ليصبح قاتلاً لسوسة جوز القطن Anthonomous grandis.

حالياً يوجد عمل كبير على إنتاج محاصيل سامة للحشرات مشتقة من النبات وان النتائج الأولية لمثل هذه الدراسات تشير إلى امكانية نجاح هذه الأصناف في مكافحة الحشرات، حيث تم اختيار العديد من السموم المشتقة من النباتات وتحديد الجينات المسؤولة ونقلها إلى المحاصيل الحساسة للحشرات، كذلك تم اختيار بعض المواد المثبطة للأنزيمات المحللة للبروتين، فضلاً عن اختيار العديد من مركبات الايض الثانوي كال Dimboa والنيكوتين والروتينون وغيرها من المركبات، كذلك فقد تمكن العلماء من ادخال جين في نبات البازلاء مسؤول عن انتاج بروتين يمنع نمو يرقات نوعين من السوس من التغذية على حبوب البازلاء، وقد وجد هذا الجين في بعض أصناف البقول المقاومة لهذه الخنافس وسوف يمهد اكتشاف هذا الجين لإدخاله في محاصيل اخرى غنية بالبروتين مثل الفول والفاصوليا واللوبيا والحمص وغيرها.

ان المحاصيل السامة للحشرات المشتقة من النبات لا زالت غير متوفرة على المستوى التجاري. الا ان النتائج الأولية للدراسات تشير إلى احتمالية توفرها في السنوات القليلة القادمة.

مصدر السم في المحاصيل السامة للحشرات

Poison Origin In Crops Poisoned To Insect

لقد استخدمت البكتريا Bacillus thuringiensis منذ اكثر من 20 سنة كمبيد مايكروبي امين ذو كفاءة عالية في مكافحة حشرات كثيرة مثل البعوض ودودة ورق القطن وغيرها وذلك برش معلق البكتريا على تلك المحاصيل وإن الحشرات التي تتغذى على تلك المحاصيل المرشوشة سوف تموت، لذلك سعى الباحثين والعاملين في مجال الهندسة الوراثية إلى محاولة نقل عامل الموت للحشرات الموجود في البكتريا B.t إلى المحاصيل والنباتات الاقتصادية وتحويلها بواسطة الهندسة الوراثية إلى محاصيل سامة للحشرات بدلاً من رش البكتريا على تلك النباتات وفي ذلك توفير للنفقات وضمان لعملية المكافحة، ولتحقيق ذلك تم التعرف على العامل الوراثي المسؤول عن انتاج السم Delta toxin وتم عزله واكثاره باستخدام الحامض النووي المعاد تركيبه أو المهجن (rDNA) وادخاله في عدة محاصيل مثل القطن والذرة والبطاطا والطماطة وغيرها ولقد عبر العامل الوراثي عن نفسه في تلك المحاصيل وتم التأكد من توريثه للأجيال الناتجة منه كما تم التأكد من نجاح العامل الوراثي في قتل الحشرات التي تفتك بتلك المحاصيل، كما ثبت أن السم الذي ينتجه العامل الوراثي غير ضار للإنسان والحيوان إن هذه الطريقة ستوفر بلا شك الكثير من المبيدات المستخدمة في مكافحة الحشرات وخفض التلوث وضمان صحة الانسان والحيوانات الداجنة والكائنات الاخرى فضلاً عن توفر اثمان هذه المبيدات.

أين توجد البكتريا Bacillus thuringensis ؟

Where we can Find The B.t?

توجد البكتريا .B.t في التربة وهي موجبة لصبغة كرام وتم عزل 500 سلالة منها حتى عام 1983 وبعد ذلك التاريخ ازداد عدد السلالات إلى ان وصل إلى 12000 سلالة حتى عام 1996. ولقد تطورت طرائق عزل سلالات البكتريا .B.t عن باقي الفطريات والبكتريا الأخرى وذلك بمعاملة العينات بمادة اسيتات الصوديوم Sodium Acetate التي تؤدي إلى انبات الفطر والبكتريا الأخرى والتي يتم التخلص منها بواسطة الحرارة في حين أن سبورات البكتريا .B.t لا تنبت وبالتالي لا تتأثر بالحرارة ويتم حمايتها. هذه الطريقة ايضاً سهلت التعرف على وجود البكتريا .B.t في البيئة وهي موجودة بكثرة في البيئة التي نعيش فيها وهي ليست من الجراثيم النادرة إذ عن طريق المقطع الكيميائي Chemical Profile المخزن في قاعدة البيانات في الكومبيوتر فانه يمكن التفرقة بين العزلات المختلفة داخل البكتريا .B.t والسلالات المرغوبة منها وعزلها عن طريق Subtype اولا وبعد ذلك عن طريق خواص أو تركيب البلورة Crystal structure الخاصة بالسم الداخلي للبكتريا .B.t ويسمى Endotoxin ثم يختبر بعد ذلك ضد الحشرات.

خواص البكتريا .B.t. والية عملها

B.t. Characteristic and Mode of Action

تنتمي البكتريا .B.t إلى عائلة Bacillaceae التي توصف خلاياها الخضرية بكونها عصوية الشكل يتراوح قطرها بين 1-1.2 مليمايكرون وتمتاز بقدرتها على تكوين الابواغ أو السبورات وهي اجسام جافة تمتاز بشدة مقاومتها للحرارة والضوء والمواد الكيميائية ويمكنها ان تبقى حرة في الطبيعة لعدة سنوات، وهي ذات أجسام حية قليلة الفعاليات الحيوية ولها أشكال وأحجام متباينة لكنها ثابتة حسب نوع البكتريا، كما انها موجبة لصبغة كرام واغلب سلالتها متحركة في الاطوار الأولى من النمو بواسطة سوط جانبي، تنمو هذه البكتريا جيداً على الوسط الغذائي الصناعي Nutrient Agar تحت الظروف الهوائية وضمن مدى حراري يتراوح بين 10-40 م والحرارة المثلى لنموها 30 م وعند التجرثم تتكون بلورات بروتينية سامة للحشرات بجوار السبور أو البوغ تسمى Para Sporal Crystal والبلورات هي الصفة المميزة لها وقد صنفت سموم البكتريا .B.t. إلى اربعة انواع هي: - Exotoxine وα-Exotoxine  و β-Exotoxine و б-Endotoxine  -واطلق الاسم Thuringiensin على السم β - Exotoxine الذي تفرزه بعض سلالات هذه البكتريا، وقد تم عزل 50 نوع من البروتين السام البلوري وتم عمل تعاقب له وسميت باسم (Cry) اختصاراً لكلمة بلورة Crystal واعطيت لها ارقام من 1-9 مثل x1-1 Cry وتحت كل نوع منها أعطيت حروف A و B و C و D وهكذا وايضاً حروف مصغرة للحروف الكبيرة مثل (Cry 1A (b ويعرف الرمز ايضاً بانه الجين المسؤول عن مكافحة الحشرات.

أما بالنسبة لطريقة احداث البروتين تأثيره السام في الحشرات فانه لابد ان يذوب في معدة الحشرة ذات الوسط القلوي بواسطة الانزيمات المعدية وبذلك فان السم لا يعمل في معدة باقي الحيوانات لان معدتها ذات وسط حامضي وتتلخص طريقة عمل السم كونه يؤدي إلى فقدان ايون البوتاسيوم في الخلايا المبطنة لغشاء معدة الحشرات اي خلايا الطبقة الطلائية فتفقد خواصها الأزموزية فتمتص كمية كبيرة وتموت الحشرة نتيجة ذلك.

طريقة ادخال سم البكتريا .B.t. في نبات القطن

Method of Introducing B.t. Poison In Cotton

يمكن ادخال سم البكتريا .B.t. في نباتات القطن باتباع الخطوات الاتية :

أ – عمل عدوى لقطع صغيرة من فلقات بادرات قطن عمرها 12 يوماً وذلك بعد تعقيمها.

ب – يتم عمل العدوى باستخدام سلالة من بكتريا زراعية هي Agrobactirum tumefaciens والتي تستخدم كناقل Vector بعد استيعاد الجينات التي تسبب الأورام للنباتات التي تصيبها اي ان البلازميد Plasmid يخلو منها ويحتوي بلازميد البكتريا على جين مقاوم للمضاد الحيوي Kanamycin ليسهل عملية الإخصاب وايضاً جين .B.t. القاتل للحشرات.

ت - بعد ثلاثة ايام من العدوى يتم وضع قطع فلقات بادرات القطن في بيئة مغذية تساعد على إنتاج كالوس Callus وتحتوي البيئة المغذية ايضاً على مضاد حيوي Kanamycin حتى يمكن انتخاب تلك القطع المقاومة للمضاد الحيوي والتي تحتوي في نفس الوقت على الجين .B.t.

ث - يتم نقل القطع المرغوبة المحتوية على .B.t من الخطوة السابقة إلى بيئة اخرى تساعد على تكوين اجنة جسمية Somatic Embryo بمعدل 80%.

ج - يتم تنمية الاجنة الجسمية للحصول على نباتات قطن محولة وراثياً قادرة على قتل الحشرات التي تتغذى عليها لاحتوائها سم بكتريا .B.t (الشكل التالي).

شكل يبين استخدام الهندسة الوراثية في نقل بعض الصفات.

أ - نبات به صفة مراد ادخالها (مقاومة مثلاً) في صنف تجاري.

ب - بكتريا ناقلة للصفة Agrobacterium tumefacies)) نقلت اليها الصفة المراد ادخالها من نبات (أ) وحملت في Ti - plasmid.

ت - عدوى البكتريا لخلايا النبات التجاري.

ث - خلية النبات التجاري وبها الجزء t -DNA  من plasmid - Ti الحامل للصفة المدخلة.

ج - زراعة خلايا النبات التجاري بعد ادخال الصفة بطرائق زراعة الانسجة وتكوين الكالوس.

ح - النبات التجاري الجديد وبه الصفة المدخلة.

التقانات المستخدمة في نقل الجينات

Genes Transporting Techniques

إن تحقيق عملية نقل الجينات في الهندسة الوراثية يمكن ان يتحقق من خلال استخدام احد التقنيات الاتية: -

1- نظام النقل الطبيعي Natural Vector System: - من المعروف ان البكتريا Agrobacterium tumefaciens تسبب أورام في النباتات التي تصيبها وذلك عن طريق ادخالها (جينات) أو DNA خاص في خلية العائل النباتي والتي تحفز على بدء التكاثر، هذه الجينات يتم تحميلها على قطعة صغيرة حلقية من الـ DNA تسمى بلازميد Plasmid وان لهذه البكتريا القدرة على ادخال البلازميد DNA في خلية العائل وبالتالي تتحد مع DNA خلية العائل. وباستخدام علم الحياة الجزيئي أمكن حذف الجينات المسببة للأورام واستبدالها بجينات المقاومة وبذلك تقوم البكتريا بإدخال البلازميد الحامل لجينات المقاومة إلى نبات العائل حيث يتحد البلازميد مع مجين Genome العائل، هذه التقنية تستخدم فقط مع النباتات التي تصاب بالمسبب المرضي وخاصة نباتات ذات الفلقتين (الشكل السابق).

2- الاتحاد المباشر للبلازميد بالبروتوبلاست Direct Plasmid Fusion Into Protoplast

البروتوبلاست هو عبارة عن خلايا نباتية عارية أو عديمة الجدار نتيجة ازالته انزيمياً يتم ادخال البلازميد الذي يحوي الجينات المرغوبة والذي تم تنميته في البكتريا Echerichi coli إلى البروتوبلاست النامي في محلول زرعي يحوي البلازميد، حيث اخذ البلازميد من قبل الخلايا ليتحد بعد ذلك مع مجين Genome الخلية. هذه التقنية استخدمت بنجاح مع محاصيل الحبوب.

3- القصف الجسيمي Particle Bombardment: تعتمد هذه التقنية على الاطلاق المايكروسكوبي للـ DNA المغلف بشكل رصاصة صغيرة معدنية على خلايا النبات وتسمى هذه الطريقة ايضاً بطريقة الحقن الدقيق Microinjection أو Biolistic injection إن النسيج المستخدم كهدف لهذه الرصاصات الدقيقة يتم الحصول عليه بواسطة الزراعة النسيجية Tissue culture، كما قد تستخدم البذور والاجنة كذلك.

إلا أن نجاح التقنيات السابقة ساعد في نقل بعض جينات مقاومة النباتات للحشرات لإنتاج نباتات سامة للحشرات ومنها: -

1- الجين المثبط للتربسين في اللوبيا Cowpea Trypsin Inhibitor Gene:

ويختصر (CPTI gene)، تم عزل هذا الجين من نبات اللوبيـا نوع .Vigna unguiculata 1.Walp بعد ملاحظة الباحثين ان خنفساء اللوبيا .Callosobruchus maculates F فشلت في التغذية على هذا النوع والنمو والتطور مما أدى إلى موتها. يستخدم هذا الجين حالياً لمكافحة العديد من حشرات حرشفية الاجنحة وغمدية الاجنحة على البطاطا والرز والشليك والعديد من المحاصيل الأخرى بعد أن يتم نقل هذا الجين اليها باستخدام بلازميد البكتريا Agrobacterium tumefaciens. أن طريقة تأثير هذا الجين في الحشرات يتم من خلال انتاجه مثبط التربسين في النبات وعندما تهاجم الحشرة النبات يعمل هذا المثبط على ايقاف عملية هضم الغذاء وبالتالي توقف الحشرة عن النمو والتكاثر وذلك لان التربسين إنزيم هاضم للبروتين Protease.

2 جين إنتاج اللكتين Lectin Gene: هذا الجين وجد في نبات زهرة اللبن الثلجية Snow drop واسمه العلمي Galanthus nivalis L. لذا يرمز لهذا الجين (GNA) تعد مادة اللكتين التي ينتجها مادة سامة للحشرات والديدان الثعبانية وقد أمكن عزل هذا الجين ونقله للعديد من المحاصيل مثل البطاطا والتبغ والطماطة والذرة والرز ومحاصيل الحبوب والفواكه لمكافحة الحشرات ذات أجزاء الفم الثاقبة الماصة مثل المن والبسليد وذباب الابيض فضلاً عن الديدان الثعبانية.

مستقبل استخدام المحاصيل السامة للحشرات

The Future of Using Crops Poisoned To Insects

إن الخطر الرئيس الذي يهدد مستقبل المحاصيل السامة للحشرات هو اكتساب بعض الحشرات مقاومة للسم البكتيري، لذلك فإن الأمر يستدعي ان تقوم الشركات المعنية بهذا الموضوع بوضع استراتيجية لتلافي الاثار السلبية والتي يمكن اجمالها فيما يلي:

أ - وضع مستوى اعلى من السم في النباتات بحيث يكون لنوع واحد من البكتريا .B.t.

ب- وضع مستوى أعلى من السم لنوعين من البكتريا.B.t. في النباتات.

ت- خلط النباتات في رقم (أ) و (ب) مع بعضها ومع نباتات تخلو من السم البكتيري.B.t. وهذه الخطوة تفضلها الشركات.

ث - استعمال مستوى منخفض من السم البكتيري .B.t. في النباتات مع استخدام الأعداء الطبيعية للحشرات.

ج - الاستمرار في متابعة تعبير السم في النباتات التي تحتويه.

ح - اتباع المكافحة المتكاملة للآفات مع الصنف الذي يحتوي على البكتريا .B.t.

خ - وضع مستوى أعلى من سم البكتريا .B.t. غير متجانس لاليل المقاومة بافتراض انها تورث كصفة متنحية.