انواع موتاسیون

تغییرات جهشی را میتوان بر حسب شاخص های متعدد تقسیم کرد ، جهش ها را به طور کلی به دو دسته بزرگ تقسیم می کنند : موتاسیونهای کروموزومی و ژنتیکی یا ژنی این موتاسیون ها را با نام ناهنجاریهای کروموزومی نیز می خوانند

موتاسیونهای کروموزومی

جهش هایی که بخش یا همه کروموزوم را شامل شده و تحت عنوان جهش های کروموزومی یا جهش های بزرگ شناخته می شوند . عموماً به دو دسته تقسیم می شوند که یا باعث ایجاد ناهنجاری در تعداد کروموزوم ها می شوند و یا در ساختمان کروموزوم ها تغییر ایجاد می کنند . موتاسیونهای کروموزومی شامل حذف یا افزایش و قطع وصل و جابجایی قسمتهایی از یک یا تمامی یک یا چند ژن و کروموزوم است و به صورت زیر بروز می کنند :

ناهنجاری در تعداد کروموزوم ها

در این حالت که بدون بریدگی و شکشتگی کروموزوم بروز می کند و شامل : پلی پلوئیدی و آنوپولوئیدی است .

ناهنجاری ها ی ساختمانی کروموزوم ها

این موتاسیون همراه با شکستگی کروموزوم است و شامل جابجایی ، وارونگی ، حذف شدن ( کاهش کروموزومی ) و مضاعف شدن ( افزایش کروموزومی ) است .

موتاسیون های نقطه ای یا ژنی

: انواع تغییرات ساختمانی ژنتیکی که درسطح کروموزوم ها صورت میگیرند در ژنها منفرد و در سطوح مولکولی نیز وجود دارند و جهش نقطه ای یا Point mutation نامیده می شوند . این جهشها به شکل واژگون ، کاهش ، افزایش ، جابجایی بازها در ژن و مضاعف شدن که تکرار یک ژن منفرد است ، صورت می گیرد . با توجه به اینکه پیام ژنتیکی توسط ترادف بازها در پلی نوکلئوتید تعیین می گردد ، لذا می توانیم نتیجه بگیریم که هر گونه تغییری در ترادف بازهای یک ژن به جهش منجر می گردد . هر گاه آسیب وارده بر ماده ژنتیک فقط به قسمت بسیار محدودی از کروموزوم و بر یک یا تعداد کمی از نوکلئوتیدهای ، اسیدنوکلئیک اثر بگذارد تغییر یا تغییرات حاصله جهش محدود محسوب میشود . این قبیل جهش ها تنها در یک نقطه از کروموزوم تغییراتی ایجاد می نمایند . جهش ژنی ممکن است مغلوب ( a به A ) یا غالب (A به a ) باشد . جهش ژنی مغلوب معمول تر است . اگر جهش ژنی مغلوب دربافت سوماتیکی یک گیاه هموزیگوت به وقوع بپیوندد ، آثار آن در نسل بعد روی بذری که در روی بخشی از گیاه شامل آلل موتانت تشکیل می شود ، ظاهر خواهد گردید ، زیرا فقط یک ژن در هموزیگوت جهش یافته
(AA به Aa ) و آلل غالب دیگر در هتروزیگوت اثر ژن مغلوب موتانت را می پوشاند ، با خود گشی تفکیک رخ داده و بوته های موتانت ( aa ) در نسل بعد ظاهر می گردد ، در حالیکه هر دو آلل یک ژن به طور همزمان جهش یابند ، ژن مغلوب موتانت خواهد شد که این حالت به ندرت به وقوع می پیوندد ، در ضمن ژن موتانت غالب ( a به A ) بلافاصله قابل مشاهده خواهد بود ، زیرا بافت سوماتیکی در حال نمو (Aa ) صفت غالب را ظاهر خواهد ساخت با خود گشتی تفکیک صورت گرفته(AA:2Aa:aa) و بوته های موتانت هموزیگوت در نتاج تولید خواهد شد . هنگامی که در بافت سوماتیکی جهش رخ دهد فقط بخش کوچکی شمیر (‌chimera) از گیاه ، مانند یک پنجه یا یک شاخه که از نمو سلول جهش یافته به وجود آمده ، حامل ژن موتانت می باشد و سایر قسمتهای گیاه تحت تاثیر قرار نخواهد گرفت . اگر جهش مغلوب در گامتی رخ دهد و این گامت با گامت حامل آلل غالب ترکیب شود ، بذر حاصل گیاه هتروزیگوت را تولید نموده و تفکیک این ژن در نتاج آن ظاهر خواهد شد .

جهش ها را می توان بر اساس منشا آنها که خود به خودی ( spontaneous ) و یا القایی باشد . شناسایی نمود . جهش خود به خودی آن است که در طبیعت رخ داده ، در حالیکه جهش القایی در نتیجه عمل یک عامل جهش زا یا (mutagenic agent ) به وجود آید . جهش خود به خودی مکانیسمی است که با آن صفات جدید در طبیعت ایجاد می شود ، سپس جهش یافته های قادر به حیات با انواع موجود تلاقی یافته و یا اینکه بر اثر تغییر پلوئیدی دو برابر شده و در فرآیند تکاملی طبیعت شرکت می نمایند . تمایز واضحی بین جهش خود به خودی و القایی وجود ندارد . آنچه به نظر یک جهش خود به خودی می آید ، ممکن است القایی باشد ، زیرا تمامی گیاهان در طبیعت در معرض پرتو تابی طبیعی با دز پایینی می باشند . همچنین جهشی که پس از تیمار مواد گیاهی با یک عامل جهش زا شناسایی می شود ، ممکن است به طور اتفاقی یک جهش خود به خودی باشد . در سال 1928 استدلر (L.J.stadler ) گزارش نمود که میزان جهش در گیاه جو پس از اینکه بذور در معرض پرتوتابی اشعه x یا رادیوم قرار گرفتند ، افزایش یافت . سال قبل از آن مولر ( H.J.muller ) اشعه x را برای افزایش فراوانی جهش در مگس سرکه Drosophila به کار برد . این یافته ها بلافاصله این نظر را به وجود آورد که ممکن است استفاده از جهش های القایی موجب شتاب در بهنژادی گیاهان با گسترش تنوع ژنتیکی گونه گیاهی گردد . این دستاورد در اصلاح نباتات اغلب بهنژادی جهشی mutation breeding نامیده میشود .

عوامل به وجود آورنده جهش

هر ماده ای که بتواند جهش ایجاد کند ، ماده جهش زا نامیده می شود و به این فرآیند جهش زایی ( mutagene sis ) گفته میشود . دو رده عمده مواد جهش زا در محیط ما وجود دارند که عبارتند از اشعه و مواد مختلف شیمیایی در هر رده ، بعضی طبیعی و عده ای مصنوعی هستند . تغییرات جهشی بر حسب منشا وقوع به دو دسته تقسیم می شوند . دسته اول تغییرات وحشی که ممکن است بدون تاثیر عوامل خارجی خود به خود صورت می گیرند و دسته دوم تغییرات جهشی که ممکن است بر اثر عوامل خارجی فیزیکی و شیمیایی ایجاد شوند .

جهش های خود به خودی

در اینکه چه نوع تغییراتی در ماده ژنتیک جهش خود به خودمحسوب میشود . اختلاف نظر وجود دارد . برخی اصولاً واژه جهش خود به خود را بی معنا دانسته و آنرا صرفاً به خاطر ارزش تاریخی اش بکار می برند و برخی متعقدند که تغییرات جهشی در مواد ژنتیک که با بکارگیری تعمدی عوامل جهش زا ( mutagen ) و یا تحت تاثیر آنها بوجود نیامده باشد ، جهش خود به خودی محسوب می شود . جهش های خود به خودی که معمولاً برای ایجاد آنها از عوامل جهش زای خارجی استفاده نشده باشد یا موجود تحت تاثیر آنها قرار نگرفته باشد . در تمام موجودات و در تمام ژنها به وقوع می پیوندد ، معنا و مفهوم جهش خود به خودی این نیست که جهش ها پدیده های تصادفی هستند و عوامل جهش زا که الزاماً در تمام موارد خارجی نیستند در به وجود آمدن آنها نقش ندارد .

مقدار وقوع جهش های خود به خودی کم است . تناوب وقوع آن بر اساس بعضی محاسبات برای هر جفت باز در هر نسل همانند سازی DNA حدود یعنی احتمال یک درصد میلیون جفت باز است . این آمار نشان می دهد که جهش های خود به خودی حوادث نادری هستند که در صورت اتفاق افتادن برای موجود پیامدهائی دارند ، اندازه گیری تغییرات جهشی در چنین سطح نازلی آسان نیست و نیاز به سیستم خیلی دقیق و کاملاً انتخابی مهار شده دارد . با وجود این شناسایی جهش های خود به خودی و اندازه گیری ضریب وقوع آنها ضروری است .

جهش های القایی یا ایجادی

علاوه بر تغییرات جهشی خود به خود نشات گرفته از درون خود سلول و فرآیندهای مختلف آن عوامل خارجی نیز اعم از عوامل شیمیایی یا فیزیکی بر ماده بر ماده ژنتیک اثر گذاشته و تغییرات محدود و گسترده ای را سبب می شوند . جهش های القا شده جهش هایی هستند که اگر سلول در معرض عوامل غیر طبیعی نظیر اشعه سلاحهای هسته ای و یا ایزوتوپهای رادیواکتیو قرار گیرد به وجود می آیند . دسته دیگری از مواد جهش زا که موجب تغییر ژنتیکی دائمی می شوند ، مواد شیمیایی متراکم شونده ای هستند که از طریق محیط اطراف خود در معرض آنها قرار می گیریم .

پرتو تابی های یونیزه و مواد شیمیایی جهش زا عناصر عمده مورد استفاده برای افزایش فراوانی جهش در گیاهان می باشند . پرتوتابی شامل اشعه x ، نوترونها ، گاما ، ماورا بنفش و لیزر می گردد . اشعه x در آزمایشهای قدیمی به طور وسیعی به کار می رفت. زیرا ابزار اشعه x همه جا در دسترس بوده و به سادگی اجرا می شده است . با این روش میتوان بذرها ، گیاهان ، یا دانه گرده را با دزهای نسبتاً دقیق تیمار نمود . با ایجاد راکتورهای اتمی امکان استفاده از پرتوتابی نوترونی فراهم گردید . پرتوتابی نوترون در مقایسه با اشعه x خسارت شدید تری به کروموزوم ها وارد می سازد و اصولاً برای بذرها به کار می رود . اشعه گاما که از کوبالت رادیواکتیو یا ایزوتوپ های رادیو اکتیو خارج می گردد . خسارت کمتری به سلولهای گیاهی وارد ساخته و تقریباً برای پرتوتابی تمام گیاهان و یا تمام قسمت های گیاهی از قبیل دانه گرده به کار می رود . استفاده از اشعه لیزر اخیراً مطرح شده است ، تمام انواع پرتوتابی ها باید با احتیاط زیاد و به دست افرادی که در به کارگیری دستگاه با تجربه اند . مورد استفاده قرار گیرد . دز اشعه با شدت پرتوتابی و طول مدتی که در معرض قرار گرفتن تعیین می گردد . دز اشعه بر حسب واحد رنتگن ® Roentgen نشان داده شده ، r مقیاسی از تعداد یونیزاسیونی است که اعمال می گردد . در صورتیکه یونیزاسیون در نزدیکی یک کروموزوم اعمال شود ، نیروی آن قادر به شکستن پیوندهای شیمیایی و ایجاد تغییرات ساختمانی مختلفی در داخل DNA نظیر تغییر یک باز نوکلئوتیدی در ژن
( جهش نقطه ای ) Point mutation جایگزینی یک باز نوکلئوتیدی توسط بازدیگر و حذف یک یا تعداد باز در توالی DNA می باشد . جهش ژنی ناشی از تغییر DNA داخل ساختمان ژن است . جهش های کروموزومی از حذف ژنها ، تغییر در توالی ژنها ، اتصال مجدد قطعات کروموزومی شکسته شده به طور واژگونه و سایر ناهنجاریهایی کروموزومی ایجاد می شود . از آنجا که عوامل جهش زای شیمیایی کاربرد ساده تری داشته و آثار زیان بخش کمتری تولید می کنند . نسبت به پرتوتابی برتر می باشند . معمول ترین ماده شیمیایی جهش زا اتیل متان سولفانات (EMS) Ethyl methane sulfonate است که ماده ای آلکالوئیدی است . اتیل متان سولفانات سرطان زای قوی است و باید با احتیاط زیاد مورد استفاده قرار گیرد . بذرها ، جوانه ها ، ریشه ها و قلمه ها را می توان با غوطه ور نمودن در محلول شیمیایی جهش زا تیمار نمود . تیمار با EMS نسبتاً ساده بوده و مانند اشعه x پرهزینه نیست و نیازی هم به دستگاه ندارد . غلظت و مدت با محلول شیمیایی بسته به بخش گیاهی مورد استفاده متغیر است . عوامل جهش زای شیمیایی در مقایسه با پرتوتابی یونیزه آثار زیانبار کمتری دارند و جهش های ژنی بیشتر و ناهنجاریهای کروموزومی کمتری را به وجود می آورند . با وجود این ، هدایت فرایند جهش به طوری که نوع خاصی از جهش را بتوان تولید نمود ، امکان پذیر نمی باشد .

القای جهش

برای ایجاد جهش در آزمایشهای بهنژادی جهشی ، معمولاً بذر تیمار می گردد ، تیمار با پرتوتابی بذرها دارای خواب ، در مقایسه با تیمار سایر اندام های گیاهی چندین مزیت دارد ، کنترل عوامل محیطی از قبیل میزان رطوبت دما و سطح اکسیژن که اثر تیمار را تحت تاثیر قرار می دهد ، با به کارگیری بذر راحت تر صورت می گیرد . تعداد زیادی بذر را میتوان در هر دفعه تیمار نمود و بذرهای تیمار شده را میتوان بدون اینکه خسارتی به آنها یا کسانی که آنرا می برند ، وارد شود ، انبار نمود . دز عامل جهش زا باید در حدی باشد که حدود 50% بذرها را از بین ببرد ، تا حداکثر تعداد جهش را موجب گردد . برای تیمار با مواد شیمیایی جهش زا ، بذرها در محلول جهش زا خیسانده شده و بلافاصله کشت می گردند . قواعد مختلفی برای نشان دادن نسلهای پس از تیمار با عامل جهش زا به کار گرفته می شود .

برای مثال یک علامت برای عامل جهش زای خاص ، مثال x برای اشعه ایکس ، R برای پرتوتابی یونیزه یا C برای جهش زای شیمیایی ممکن است استفاده شود . در اینجا واک M را برای نوع عامل جهش زا به کار می بریم ، برای مثال نشان دهنده اولین نسل پس از تیمار با عامل جهش زا ، دومین نسل می باشد و سایر واکها نیز به همین ترتیب خواهند بود . گیاهان که از کاشت بذرهای تیمار شده به دست می آیند از بنیه کاهش یافته ایی برخوردار است و بسیاری از آنها که تا بلوغ زنده می مانند عقیم بوده و بذر تولید نمی کنند .

در بذرهای غلات مثل گندم سلولهایی در جنین در حال خواب وجود دارد که از آنها پنجه ها به وجود می آیند . در صورتی که جهش در یکی از این سلولها رخ دهد ، ژن جهش یافته فقط در پنجه ای که با این سلول به وجود می آید ، موجود خواهد بود ، جهش غالب بلافاصله در این پنجه تظاهر خواهد یافت . جهش مغلوب اثر قابل مشاهده ای در پنجه ایجاد نخواهد نمود ، اما نتایج این پنجه برای صفت جهش یافته ، تفکیک خواهد نمود . از آنجا که اکثر جهش ها مغلوب هستند ، نسل همان نسل تفکیک می باشد . سایر پنجه ها در این گیاه تحت تاثیر قرار نخواهد گرفت ، مگر اینکه جهش دیگری رخ دهد . علاوه بر بذر سایر اندام های گیاه مثل دانه گرده و گیاه زنده و غیره نیزممکن است تحت تیمار عناصر جهش زا قرار گیرند . اگر دانه گرده ، مورد تیمار قرار گرفته و جهش مغلوب القا گردد تمام اجزا یا شاخه های گیاه برای جهش به صورت ناخالص خواهد بود ، لذا برداشت بذرهای گیاه به طور جداگانه ، ضروری خواهد بود .

مضراتی برای تیمار دانه گرده وجود دارد . در برخی از گونه ها تهیه دانه گرده کافی برای تیمار مشکل است ، یا دوام گرده به قدری کوتاه خواهد بود که عمر آن در زمان تیمار تمام شده و برای مدت تیمار زنده نخواهد ماند . گرده را میتوان هم با پرتوتابی و هم با عناصر شیمیایی تیمار نمود . دز تیمار گرده پایین تر از تیمار بذر است . جهش را می توان در گیاهانی که به طور رویشی تکثیر می یابند مثل نیشکر ، موز ، سیب زمینی ، علف برمودا ، درختان میوه و گلهای زینتی نیز القا نمود . بهنژادی به طریقه جهش در خلق تنوع ژنتیکی جدید برای گیاهانی که به طور رویشی و یا آپومیکسی تکثیر می یابند ، حائز اهمیت است .

در گونه های با تکثیر رویشی استفاده از پرتوتابی معمول تر از مواد شیمیایی جهش زا است . هر قسمتی از گیاه قادر به ایجاد جوانه است . مثل غده ها ، ریزوم ها ، قلمه ها ، پیوندها . مریستم انتهایی ساقه یا انتهای دمبرگ را که پس از جدا شدن جوانه
می دهد ، را می توان با عوامل جهش زا تحت تیمار قرار داد . همه این بخش های گیاهدارای بافت مریستمی چند سلولی هستند که از یک سلول مریستمی منشا یافته اند. جهش در این سلول معمولاً در تمام معمولاً‌ در تمام ساختار گیاه حاصل از آن انتقال می یابد در حالی که در یک سلول ، در بافت مریستمی ایجاد میشود در قسمت ها و یا شیمرها تکثیر خواهد یافت . لذا تیمار با یک عامل جهش زا باید تا حد امکان در مراحل اولیه تشکیل جوانه انجام گیرد تا احتمال ایجاد شمیر کاهش یابد . با استفاده از مزرعه پرتوتابی گاما میتوان به راحتی همه گیاهان را تیمار نمود ، اگر چه نهال ها یا گیاهچه ها با عنصر جهش زای شیمیایی تیمار می گردد . در گونه آپومیکسی معمول این است که بذرها را پرتوتابی می نمایند .

جهش های کشت سلول سوماتیکی

کاشت سلول سوماتیکی که از ساقه ، برگ ، اندام های گل یا بافت مرسیتم منشا یافته باشد ، منبع جدید تنوع ژنتیکی است . بافت سلولی جدا شده و در یک محیط غذایی ضدعفونی شده ، قرار و با اعمال تغییرات لازم ، سلول ها به تقسیم و ایجاد گیاه می پردازند . در ابتدا به وجود اختلاف در کلون های نیشکر بازیابی شده ، در محیط کشت بافت به کلونهای والدی برای صفات ظاهری ، مقاومت به بیماری و عملکرد پی برده شد . از آن زمان به بعد جهش در کشت بافتهای جو، گندم ، برنج ، یولاف ، توتون ، ذرت و سیب زمینی گزارش شده است . جهش های القا شده در کشت بافت را تنوعات سوما کلونی somaclonal Variation می نامند . ممکن است فراوانی جهش بالا باشد ، ولی متاسفانه بسیاری از تنوعات سوماکلونی وراثت پذیر نبوده کاربرد اندکی در بهنژادی به طریقه جهش دارند .

مرکز آموزش بیوانفورماتیک نصر