ذرت هیبرید یا ذرتهای هجین، گونه‌هایی اصلاح شده از ذرت معمولی (ذرت آجی—Zea mays) هستند. ذرت هیبرید از طریق تاریخ علم در دهه 1930 میلادی وجود پیدا کردند. در این دهه، دانشمندان و مهندسان علاقه‌ای به ترکیب دو نوع زیرگونهٔ ذرت داشتند به منظور بهبود عملکرد این گیاه. یکی از مشکلات مربوط به ذرت معمولی، تندروی و کمبود مقاومت به بیماری‌ها و آفت‌های القا شده از خاک و مشکلات آب و هوایی است. با ترکیب دو ژنتیک مختلف ذرت (هم از نظر ژنتیکی و ظاهری)، فرزندان تولید شده نه تنها مقاومت به بیماری‌ها و آفت‌ها را تجربه میکنند، بلکه عملکرد و عمر این گیاه هم بهتر میشود. ذرت هیبرید امروزه به عنوان یکی از محصولات مهم در صنعت کشاورزی در بسیاری از کشورها به کار می‌رود. این گیاه به دلیل توانایی خود در تحمل بهتر شرایط مختلف اقلیمی و عملکرد بالا، مورد اقبال کشاورزان قرار گرفته است.
سرفصل مطالب:
- آغاز استفاده از بذر هیبریدی ذرت
- تاریخچه بذرت ذرت هیبرید در قرن نوزدهم
- بذر های هیبرید دو رگ ساده (single cross) چیست؟
- بذر های هیبرید دورگ دوگانه (double cross) چیست؟
- عملکرد بهتر بذر هیبریدی به همراه فناوری کشاورزی چگونه حاصل می شود؟
- نقطه ضعف بذر های هیبرید چیست؟
- نتیجه گیری بحث در رابطه با بذر هیبریدی
در ادامه مطالب فوق بررسی خواهند شد.
آغاز استفاده از بذر هیبریدی ذرت
هزاران سال تجربه و دانش در زمینه کشاورزی، به کشاورزان این آگاهی را می دهد که ترکیب بین گونه های مختلف گیاهی، می تواند منجر به ایجاد نسل جدیدی با قدرت بیشتر شود. آثار کاشت مشترک دو نوع مختلف ذرت در مناطق مختلفی از قاره آمریکا، باستان شناسی را نشان می دهد که نشان می دهد گرده افشانی مشترک می تواند به بهبود محصولات کمک کند. این همه دانش سنتی، در قرن هجدهم با آزمایشات علمی تایید و توسعه یافت. در این مقاله، نتایج این آزمایشات و تأثیر آن بر بهبود بذرهای هیبرید ذرت، به تفصیل بررسی می شود.
بررسی های علمی نشان داده که گیاهان ذرت تولیدی از گیاهان دگرگرده افشان نسبت به گیاهان خود گرده افشان بسیار مزایای بیشتری دارند. یکی از محققان این موضوع در آخرین قرن هجدهم، گرگور مندل بود. او در تحقیقات خود بر روی گیاهان نخود، وراثت و ارث دیجیتالی را بررسی کرد و نشان داد که گیاهان حاصل از تلاقی بین دو خط مختلف، به رشد قوی‌تری نسبت به گیاهان خود گرده افشان می‌انجامد.
ایده آن است که چارلز داروین، گیاهانی که خود گرده افشانی ضعیف‌تری دارند، مقاومت کمتری در برابر آفات داشته و عملکرد کمتری نسبت به گیاهان هیبرید دارند، را مورد دفاع قرار داده است. کارهای او تأثیر زیادی بر بسیاری از دانشمندان داشت. به عنوان مثال، در دهه 1880، ویلیام بیل، کنترل گرده افشانی را به عنوان راهی برای کاهش اثرات منفی خود‌گشنی در ذرت مطالعه کرد. اما باید به یاد داشت که زمانی که مندل و داروین فعالیت می‌کردند، DNA هنوز کشف نشده بود. مندل فقط بر روی الگوهای وراثت صفات تحقیق می‌کرد. از اصطلاح آلل یا ژن در آن زمان استفاده نمی‌شد و تغییرات بسیاری در درک ما از وراثت و علم ژنتیک در اواخر قرن 18 و اوایل قرن 19 رخ داد.
تاریخچه بذرت ذرت هیبرید در قرن نوزدهم
در این دوره، کشاورزان ذرت با یک چالش بزرگ روبرو بودند. آنها سعی می‌کردند با حفظ بهترین دانه‌های خود و استفاده از آنها به عنوان بذر، عملکرد ذرت را افزایش دهند. اما آنها نمی‌توانستند کیفیت و عملکرد بهبود یافته‌ای که بعضی اوقات به دست می‌آوردند را حفظ کنند. در واقع، آنها با یک مشکل مواجه بودند. چگونه می‌توانند اثرات جابجایی ژنی را برای افزایش عملکرد ذرت به حداکثر برسانند؟
ایجاد انواع ذرت با ویژگی‌های دلخواه نیازمند فهم اصول وراثت و دانش درباره آلل‌ها (گروه‌های مختلف ژنتیکی) می‌باشد. در اوایل قرن بیست، جورج شول از نظریه مندل برای درک تغییر و واگرایی گونه و همچنین شیوع بیماری در ذرت استفاده کرد. او آزمایشاتی انجام داد که منجر به تغییرات ژرافیکی نمونه‌های ذرت شد. در سال ۱۹۰۸، جورج شول نخستین شخصی بود که مفهوم هتروزیگوتی را به طور رسمی توصیف کرد. این ایده مسیر تلاش برای به دست آوردن ارقام مطلوب ذرت را تغییر داد. بنابراین، تولیدکنندگان ذرت به تدریج از خطوط ذرت موجود به دنبال بهترین ترکیبات ترکیب ذرت هیبریدی رفتند، همانطور که شول پیشنهاد کرده بود.
بذر های هیبرید دو رگ ساده (single cross) چیست؟
بذرهای هیبرید دو رگ ساده، نوعی بذر هستند که در اثر تلقیح دو گیاه والد با ژنتیک متفاوت، به وجود می آیند. بذرهای هیبرید دو رگ ساده به وسیله‌ی جعبه نسل بازیابی می‌زرع شده و برعکس اولین برداشت، همگی دارای صفات یکسانی خواهند بود. معنای "دو رگ" نیز به وجود دو خط رنگی در برگ‌های دانه‌های نواختی مربوط میشود. این بذرها شامل صفات ترکیبی از ویژگی‌های والدین است که به شکلهای جدید و متنوعی در بذرها ظاهر می شود.
در مقاله‌ای که در سال 1909 منتشر شد، شول روش‌هایی برای تولید ذرت با هدف تولید هیبریدهای قوی و یکنواخت معرفی کرد. در آن زمان، به دلیل دشواری و هزینه بالا برای تهیه بذرهای ترکیبی، این ایده به اندازه کافی توجه نشد. لاین‌های ذرت که برای تولید هیبریدهای F1 ضروری بودند، به صورت قوی و خالص کفایت نمی‌کردند. این لاین‌ها عملکرد نسبتاً ضعیفی داشتند و بذر کمی تولید می‌کردند. همچنین، حساسیت آنها نسبت به آفات وجود داشت. اما بزرگترین چالش برای این لاین‌ها این بود که قابلیت رقابت با علف های هرز را نداشتند. لازم به ذکر است که در اوایل قرن بیست، استفاده از سموم جهت کنترل آفات و علف های هرز هنوز رواج نداشت. به همین دلیل، تولید بذر هیبرید خیلی پیچیده و گرانبها بود.
بذر های هیبرید دورگ دوگانه (double cross) چیست؟
بذرهای هیبرید دورهای دوگانه (Double Cross Hybrid Seeds) با استفاده از فرانسوا کنسل و وان ریان برای اولین بار در سال 1937 در شرکت بذر لادو (Ladoux Seed Company) توسعه یافتند. این بذرها از تلقیح دور با دور دو گونه مختلف به دست می آیند. به عبارت دیگر، پدر آنها یک گونه و مادر آنها گونه دیگری است. این روش زنبورزادی استفراده میشود که برای تلقیح گیاهان طبیعی یا با استفاده از همولوگ ید زنبوران، استفاده میشود. ترکیب ژنتیکی دوگانه باعث بهبود صفات مورد نظر مانند رشد سریع، درصد عملکرد بالا، مقاومت به بیماری‌ها و شرایط محیطی مختلف و ساختارهای جدید هیبریدی میشود. همچنین، بذرهای هیبرید دورهای دوگانه به دلیل استفاده از فرآورده های خاکی در تولید و ضمیمه شده، قابلیت حاصلخیزی بهتری داشته و معمولا همراه با توصیه‌های کشاورزی، برای مزارع نیمه خشک قطب شمال مناسب هستند.
به هر حال، در سال 1918، دیوید اف جونز توانست یک نوع دیگر از هیبرید را توسعه دهد. او هیبرید دوگانه یا F2 را ایجاد کرد که از تلاقی هیبریدهای دوره اول یا F1 ساخته میشود. واقعیت این است که این هیبریدهای دوگانه از تلاقی چهار خط متفاوت تشکیل میشوند. آزمایشات جونز نشان داد که عملکرد هیبریدهای دوگانه کمی کمتر از هیبریدهای دوره اول است، اما صفات دیگر مطلوب حفظ شده است.
هیبریدهای دوگانه نقطه عطفی مهم در تولید بذرهای هیبرید بودند. زیرا آنها قوی‌تر از هیبریدهای F1 علف های هرز را سر کوب میکنند و بهتر از لینی های همنژاد ظاهری همتا دارند. به همین دلیل تولید بذر هیبرید دوگانه در آن زمان ساده تر و ارزان تر بود. هیبریدهای دوگانه به صورت تجاری در دسترس بودند، به عنوان مثال، تا سال 1921.
عملکرد بهتر بذر هیبریدی به همراه فناوری کشاورزی چگونه حاصل می شود؟
ارقام هیبرید ذرت – دورگ ساده و دوگانه – دارای مزایای بسیار زیادی هستند. گیاه‌پروران به‌طور معمول ارقامی با صفات خاص را بوجود می آورند. این ارقام ممکن است رشد سریع داشته باشند، تحمل بهتر در برابر تنش خشکی یا مقاومت بالا در برابر آفات را نشان دهند. به طور مثال، علاوه بر صفات اصلی مورد نظر، بذور هیبرید ذرت عملکرد بسیار بیشتری دارند و مزارعی که از این ارقام استفاده میکنند ژنتیکی یکنواخت تری دارند.
وجود ژنتیک یکنواخت بدان معناست که گیاهان معمولاً قد مختلفی دارند و زمان‌های مختلفی برای گل‌دهی، تولید گرده و برداشت داشته و حتی دانه‌های متفاوتی دارند. استفاده از بذرهای هیبرید ذرت باعث میشود فناوری‌های کشاورزی مانند برداشت مکانیکی راحت‌تر شود. این باعث کاهش نیاز به نیروی کار و کاهش تلفات محصول می شود که در نتیجه، بازدهی بیشتری داشته باشیم. از دهه ۱۹۴۰ به بعد، در حوزه پرورش ذرت تغییرات زیادی در برنامه‌ریزی ارقام ایجاد شده است. این تغییرات منجر به افزایش عملکرد و کاهش هزینه‌های تولید، از جمله افزایش استفاده از کود و علف‌کش، افزایش راندمان آبیاری در مناطق خشک و استفاده بیشتر از ماشین‌آلات کشاورزی شده است. بهبود‌هایی که در چند دهه‌ی گذشته در تولید ذرت رخ داده است، منجر به افزایش متوسط عملکرد آن شده است.
هیبریدهای دورگ ساده دارای تنوع ژنتیکی کمتری نسبت به هیبریدهای دو رگ دوگانه هستند، در نتیجه، این هیبریدها عملکرد بالاتر و خصوصیات مطلوب زیادی مثل مقاومت در برابر آفات را در تمام گیاهان نشان می‌دهند. با کنترل بهتر علف‌های هرز با استفاده از علف کش، بهنژادگران گیاهی توانسته‌اند لاین‌های همنژاد را در رقابت کمتری با علف‌های هرز رشد دهند. از دهه ۱۹۶۰، استفاده از هیبریدهای ذرت دورگ ساده، که عملکرد بالاتری داشته و ساده‌تر و سریعتر ایجاد میشوند، به سیستم متداولی تبدیل شده است.
نقطه ضعف بذر های هیبرید، در واقع مربوط به ضعف های ژنتیکی است که ممکن است در این بذر ها وجود داشته باشد. بذر های هیبرید به وجود می آیند زمانی که دو والدین با ژنوتیپ های مختلف به طور هوشمند ترکیب می شوند تا صفات مطلوب را در نسل بعدی به دست آورند.
اما یکی از نقاط ضعف این بذر ها این است که آنها معمولاً در مقابل شرایط زندگی استرسی یا شرایط محیطی سخت، نقاط ضعف بیشتری دارند. به عنوان مثال، ممکن است که این بذر ها در برابر بیماری ها، آفات، خشکی یا سرما حساسیت بیشتری داشته باشند.
به طور کلی، این بذر ها برای استفاده در شرایط کشت مصنوعی و بهره برداری حداکثری ایجاد شده اند و در بروز مشکلات موجود در محیط های طبیعی، ممکن است عملکرد ضعیفی داشته باشند. اما در شرایط مناسب، کاربرد این بذر ها برای افزایش عملکرد و مقاومت در مقابل بیماری ها و جوانمردی های محیطی خوب است.
در قرن بیستم، افزایش عملکرد مرتبط با یکنواختی ژنتیکی بود. یکنواختی ژنتیکی منجر به داشتن عملکرد بالاتر، مقاومت بیشتر به آفات و بوته‌ها با ارتفاع مشابه و قابلیت استفاده از مکانیزاسیون میشود. اما در عین حال، یکنواختی ژنتیکی ممکن است هزینه‌هایی نظیر آسیب‌پذیری داشته باشد.
زیرا اگر یک عامل خسارتزا بتواند از یک ضعف غیرمنتظره در یک گیاه استفاده کند، همه گیاهان با یکنواختی ژنتیکی در معرض خطر قرار می‌گیرند. به عنوان مثال، در سالهای ۱۹۷۰-۱۹۷۱ ، شیوع یک بیماری باعث تخریب ۱۵ درصد از محصول ذرت در ایالات متحده شد که بیش از یک میلیارد دلار هزینه برداشت. عامل خسارت ناشی از این بیماری قارچی بود که به نام بلایت برگ ذرت جنوبی شناخته می‌شد. این قارچ دارای یک جهش طبیعی و نادر بود که باعث آلودگی بیش از ۸۵ درصد از ذرتهای پرورش یافته در ایالات متحده در همان سال‌ها شد.
بذرهای هیبرید ذرت دارای ژن‌های آسیب‌پذیر بسیاری هستند. اگرچه این ژن‌ها ارزش زیادی در تولید هیبرید دارند، اما برای حذف گل‌های تاسل نر یا تاجی متعدد از پایه‌های مادری بسیار هزینه‌بر است. در ذرت، ژن‌های خاصی وجود دارد که با راه‌اندازی فرآیندهای ژنتیکی، باعث عقیم شدن گل‌های نر میشوند. بنابراین، تولیدکنندگان بذر دیگر نیازی به حذف دستی تاجی و یا گل‌های تاسل نر ندارند. به جای آن، با استفاده از گرده‌دهی پایه‌های پدری، بذرهای بارور تولید میشود. به صورت کلی، کشاورزان می‌توانند از این بذرهای بارور به عنوان بذر استفاده کنند.
یک بحران همه‌گیری در دهه ۷۰ ایالات متحده آمریکا مربوط به خطرات یکنواختی جمعیت ژنتیکی بود. از آن زمان به بعد، تلاش‌هایی برای حفظ تنوع ژنتیکی در گیاهان بهنژاد شده، همراه با استفاده از مزایای یکنواختی جمعیت ژنتیکی مختلف، انجام شده است. این موضوع باعث کاهش زمان ورود ارقام جدید نیز شده است. با داشتن تعداد زیادی ارقام هیبرید ذرت در یک کشور، همچنین امکان حفظ تنوع ژنتیکی در سطح مزارع و حتی در سراسر کشور فراهم میشود و نگرانی‌های مربوط به یکنواختی جمعیت ژنتیکی در طی مدت طولانی رفع میشود.
نتیجه گیری بحث در رابطه با بذر هیبریدی
در اوایل قرن بیستم، میانگین عملکرد ذرت در ایالات متحده 1350-2000 کیلوگرم در هکتار بود. اما در حال حاضر، میانگین عملکرد آن بیش از 8 تن در هکتار است. این پیشرفت در عملکرد به دلیل درک بهتری از صفات کلیدی ذرت اتفاق افتاده است. محققان فهمیدند که چگونه صفات دلخواه، مانند اندازه دانه و ارتفاع گیاه، از نسلی به نسل دیگر انتقال می‌یابند. آنان همچنین دریافتند که گیاهان هیبرید عملکرد و رشد بهتری نسبت به گیاهان معمولی دارند. تلاش علمی‌هایی که توسط محققان مختلف انجام شد، باعث تغییرات بزرگی در علم کشاورزی شده است. با فهم بهتری از توانایی هیبریدها، پژوهشگران دانش برندگی ذرت را برای ترکیب خطوط همنژاد به منظور به دست آوردن ارقام هیبرید زودرس، میانرس و دیررس تحقیق میکنند. زیرا بذور هیبرید عملکرد بیشتری دارند و همچنین تنوع ژنتیکی کمتری نسبت به بذور معمولی دارند که باعث مکانیزاسیون بیشتری میشوند.
کشف توانایی تولید سیب‌زمینی در قلم‌لی به استفاده از این فناوری در دیگر محصولات زراعی نیز منجر شد. محصولات دیگری مانند برنج، جو و گیاهان دانه‌دار و همچنین گیاهان زینتی مختلف، اکنون از ترکیب هیبرید برای تقویت عملکرد و یکنواختی استفاده میکنند.
