ژنومیکس و پایداری کشاورزی در ایران

سیستم‌های تولید مواد غذایی باید با منابع پایه محدود زمین و آب، محصولات بیشتری به جامعه عرضه کنند و در عین حال این سیستم‌های تولیدی باید کمترین تأثیر منفی را بر اکوسیستم فلات ایران داشته باشند. چالش‌های آینده مربوط به امنیت غذایی، آگرواکولوژی، گرمایش جهانی و غیرقابل پیش‌بینی بودن تغییرات آب و هوایی و پیامدهای متعاقب آن در پویایی بیماری‌ها و آفات، پاتوژن‌ها، و کسری جهانی غذا، عظمت این چالش را تشدید می‌کند. لذا امروزه بهبود کیفی محصولات و پرورش ارقام هوشمند سازگار با آب و هوا پایدارترین راه برای تسریع تولید غذا در نظر گرفته می‌شود. با این حال، به منظور پاسخگویی مناسب به نیازهای غذایی رو به رشد، یک تغییر اساسی در چارچوب تولید مرسوم محصولات زراعی مورد نیاز است. در واقع،کشاورزی فشرده امروزین بر بهبود تولید در شرایط بهینه، با نهاده‌های زراعی قابل توجه متمرکز شده است. علاوه بر این، کشاورزی فشرده با کشت تعداد محدودی از محصولات موجود در الگوی متعارف تغذیه، کمیت گونه‌های گیاهی را که انسان به آن‌ها تکیه می‌کند، به شدت کاهش داده است. بنابراین، یک الگوی جدید کشاورزی آلترناتیو جدای از جریان اصلی کشاورزی حاضر، مورد نیاز است که اولاً، وابستگی به نهاده‌های شیمیایی بالا را کاهش دهد و ثانیاً، تنوع محصول، ثبات عملکرد، سازگاری بالا و انعطاف‌پذیری در برابر تنش‌های محیطی را افزایش دهد. در طلیعه قرن 21؛ ژنومیکس فرصت‌های بی‌سابقه‌ای را برای افزایش عملکرد محصول، کیفیت و ثبات تولید از طریق استراتژی‌های اصلاحی پیشرفته، افزایش انعطاف‌پذیری محصولات در برابر تغییرات آب و هوایی و افزایش بهره‌وری و دامنه محصولات فرعی برای تنوع بخشیدن به عرضه مواد غذایی ارائه می‌دهد. پیشرفت در ژنومیکس مفاهیم و ابزارهای جدیدی را ارائه کرده است که نویدبخش دقیق‌تر و کارآمدتر کردن روش‌های اصلاح نباتات است. برای مثال، مجموعه‌های ژنوم مرجع در ترکیب با توالی یابی ژرم پلاسم، اهداف اصلاحی را مشخص می‌کند که می‌تواند به موازات پیشرفت‌های کلیدی در توالی‌یابی ژنوم گیاهی و حضور این منابع ژنومی در ترکیب با تکنیک‌های ویرایش ژن، و فرآیندهای کشف و دستکاری صفات به تأمین مواد غذایی در آینده کمک کند. لذا اتخاذ رویکردهای جدید مانند سرعت بخشیدن به فراگردهای اصلاحی، انتخاب ژنومی و اصلاح بر اساس هاپلوتیپ می‌تواند بر انواع محدودیت‌های متعارف در کشاورزی ایران غلبه کند.

ژنومیکس کشاورزی یک زمینه غنی است که برای چندین دهه به پیشرفت در توسعه محصولات کشاورزی جهان کمک کرده است. از توسعه تکنیک‌های جدید ژنومی (NGTs) و توالی‌یابی ژنوم‌های مرجع گرفته تا ژنوتیپ‌سازی برای مطالعات مرتبط با ژنوم تا پیش‌بینی ژنومی، پیشرفت‌ها در فناوری و کاربردها منجر به پیشرفت‌هایی در بهبود محصولات کشاورزی شده است. این نوآوری‌ها منجر به ارقام گزینش شده‌ای شده است که برای صفات مطلوب کشاورزی از جمله عملکرد بالا، تحمل به تنش و مقاومت به آفات انتخاب شده‌اند. با این حال، محیط‌هایی که محصولات در آن رشد می‌کنند به طور فزاینده‌ای مستعد تغییر شرایط به شکل الگوهای آب و هوایی ناپایدار یا الگوهای متغیراکولوژیک هستند. سئوال اصلی این است که چگونه می‌توانیم از فناوری‌های ژنومی برای سازگاری با این دنیای در حال تغییر به بهترین شکل استفاده کنیم؟ نکته قابل توجه، یکی از راه‌های بالقوه ژنومیکس برای بهبود محصول و امنیت غذایی از طریق توالی‌بندی و طبقه‌بندی بانک‌های بذر یا بانک‌های ژنی در کل مجموعه است که در آن گونه‌های مهم کشاورزی در مجموعه‌های بزرگی که بر اساس طبقه‌بندی و منشاء سازماندهی شده‌اند، ذخیره و نگهداری می‌شوند. این منابع غنی منعکس‌کننده تنوع شگفت انگیزی از پتانسیل ژنتیکی استفاده نشده است، اما در ایران چالش‌های لجستیکی برای استخراج حداکثر اطلاعات از این سوابق وجود دارد. درک شبکه‌های ژنی و شناسایی توالی یا تنوع اپی ژنتیکی که زمینه ساز ویژگی‌های کشاورزی است که انعطاف‌پذیری محیطی را ایجاد می‌کند، توانایی ما را برای پرورش واقعی ایدئوتیپ‌های جدید متحول می‌کند. اینها می‌توانند برای محیط‌های خاص مناسب باشند و شامل ترکیب مناسبی از ژن‌های تحمل استرس برای صفات مطلوب، حتی برای عملکرد تحت نوسانات محیطی باشند. ژنومیکس، در ارتباط با اطلاعات فنوتیپی، می‌تواند به اصلاح‌کنندگان، دانش مورد نیاز برای انتخاب سریع‌تر و اعمال استراتژی‌های اصلاحی پیشرفته برای تولید محصولات مقاوم به آب و هوا را ارائه دهد. نقشه‌برداری ژنتیکی و تجزیه و تحلیل مکان‌های صفت کمی (QTL)، مطالعات ژنتیکی (AG) و رویکردهای انتخاب ژنومی (GS) اخیراً بر توسعه واریته‌های جدید محصولات زراعی تأثیرات فراوانی گذاشته‌اند. ابزارهای ژنومی، زیرساختی را برای افشای اسرار پتانسیل ژنتیکی گیاهان برای پاسخگویی به طیف وسیعی از محیط‌ها فراهم می‌کنند.

در طی میلیون‌ها سال، ژن‌های جدیدی تکامل یافته‌اند و در طیف وسیعی از محیط‌ها به هم آمیخته و انتخاب طبیعی شده‌اند تا تنوعی را که در گونه‌های وحشی می‌بینیم تولید کنند. در مقابل، انتخاب و اهلی‌کردن محصولات توسط انسان پدیده‌ای نسبتاً جدید است، که در طول 10000 سال گذشته در منطقه هلال زرخیز زاگرس در خاورمیانه اتفاق افتاده است. در حال حاضر، متخصصین و پرورش‌دهندگان اکثر محصولات عمده در حال تغییر شکل نسبتاً کمی از آلل‌ها برای تولید ترکیبات بهبود یافته‌ای هستند که باعث افزایش عملکرد و سایر ویژگی‌های زراعی جذاب می‌شود اما  ژنومیکس این پتانسیل را ارائه می‌دهد که تنوع آلل‌های موجود برای پرورش‌دهندگان را از طریق استخراج از استخرهای ژنی وابسته و ژنوم خویشاوندان وحشی محصولات کشاورزی افزایش دهد. دانشمندان طی 7 سال اخیر فراخوانی قوی برای اقدام و سرمایه‌گذاری‌های عمده برای توصیف بهتر ثروت منابع ژنتیکی که در بانک‌های ژن جهان نهفته است، صادر کرده‌اند. هدف کنسرسیوم ابتکاری( Diversity Seek) تسهیل دسترسی به ژرم پلاسم‌های متنوع و داده‌های مرتبط است. این ژرم پلاسم، همراه با ابزارهای ژنومیکس، شناسایی و انتخاب سریع آلل‌های مفید جدید، نادر و ادغام کنترل شده آن‌ها در ژرم پلاسم محصول را امکان پذیر می‌کند. به یقین با ورود به عصر بهبود محصولات مبتنی بر ژنوم، از این فناوری برای کمک به محافظت از آینده ما از طریق افزایش امنیت غذایی استفاده خواهد شد. ابران نیز دارای تنوع زیستی غنی کشاورزی (منابع ژنتیکی گیاهی و جانوری) است که اگر از طریق تحقیقات ژنومی پیشرفته و مداخلات ژنومی برای کشاورزی پایدار مورد توجه، سرمایه‌گزاری، ظرفیت‌سازی و بهره‌برداری قرار گیرد، پتانسیل بسیار زیادی در پر کردن شکاف کمبود مواد غذایی بویژه برنج، ذرت و جو در کشور دارد.

تخمین زده می‌شود که تا سال 2025 داده‌های ژنومی می‌تواند بزرگترین تولیدکننده داده روی زمین باشد. این بدان معنی است که مدیریت داده‌های ژنومی به طور پیوسته در طراحی پروژه اولویت بیشتری پیدا می‌کند و به مدیریت داده‌ها و مهارت‌های بیوانفورماتیکی نیاز دارد. مدیریت، ذخیره‌سازی و اشتراک‌گذاری داده‌های ژنومی به درک مسیرهای پردازش و سوابق دقیقی در هر مرحله نگهداری نیاز دارد ذخیره‌سازی داده‌های ژنومی نیز بسیار مهم است و موضوعاتی مانند زمان، مکان و فرمت‌های ذخیره‌سازی داده‌ها باید قبل از شروع هر پروژه در مقیاس بزرگ مورد بحث قرار گیرد. به همان اندازه که نگهداری سوابق در دفترچه‌ها و صفحات گسترده آزمایشگاهی مهم است، ممکن است کاربری پلتفرم‌های دیجیتال با سوابق مرتبط برنامه‌ها و ذخیره‌سازی ابری رایج‌تر ‌شود. لذا  برای اجرای مطلوب تحقیقات ژنومی کشاورزی، به اشتراک‌گذاری داده‌ها ضروری است و اشتراک‌گذاری داده‌ها به عنوان یک ابزار مهم برای فعال‌کردن، ترویج و بهبود تحقیقات ژنومی برای منافع عمومی در نظر گرفته می‌شود. این امر با استفاده از مخازن در دسترس، بانک ژن، بانک داده‌های DNA ، مرورگرهای ژنوم برای تجسم و کاوش، آرشیو نوکلئوتیدی و منابع نمونه ژنوم بین‌المللی و منطقه‌ای امکان‌پذیر و مؤثر می‌شود. علاوه بر این، ایجاد و تقویت بانک‌های ژن، به ویژه در تحقیقات ژنومی محصولات زراعی ضروری است. تحقیقات ژنومی نیازمند ظرفیت‌های سازمانی کافی از جمله آزمایشگاه‌های مجهز است. چالش عمده‌ای که اکثر مؤسسات تحقیقاتی علمی ایران با آن مواجه هستند فقدان امکانات تحقیقاتی فوق مدرن از جمله آزمایشگاه‌های فوق تخصصی است. این امکانات آزمایشگاهی در سرتاسر جهان نسبتاً گران هستند، اما ظرفیت‌های سازمانی ناکافی، تحریم‌های ظالمانه، واردات و مسائل تدارکاتی طولانی مرتبط با خرید، آن‌ها را در ایران  گران‌تر از بیشتر کشورهای اروپا و آسیایی می‌کند. از سوی دیگر بودجه تحقیقات ژنومی در اکثر کشورهای توسعه یافته توسط دولت‌ها و سازمان‌های غیردولتی غیر انتفاعی آغاز شد، اما بعداً برای بهبود معیشت (از جمله بهداشت، پزشکی و کشاورزی) با بودجه تحقیق و توسعه خصوصی (R&D) تکمیل شد یک مانع عمده برای اجرا و کاربرد تحقیقات ژنومی کشاورزی در ایران کمبود منابع (ظرفیت‌های انسانی و سازمانی) و بودجه است. بنابراین هزینه تحقیقات کشاورزی ژنومیک و تأمین مالی همچنان یک چالش بزرگ است. به عنوان مثال، هزینه پلتفرم‌های ژنوتیپ و توالی یابی بین 80000 تا 700000 دلار است. معیارهای زیست محیطی، اجتماعی و حاکمیتی در حال تکامل نشان می‌دهد که فناوری‌های ویرایش ژن باید نوآوری اخلاقی و آینده‌ای عادلانه را ارتقا دهند. میزان سرمایه‌گذاری فن‌آوری‌های ویرایش ژن در کشاورزی در حال افزایش است. طبق گزارش( Finistere Ventures، صندوق سرمایه‌گذاری خطرپذیر فناوری کشاورزی و علوم زیستی)، متوسط سرمایه‌گذاری سالانه در بخش کشاورزی-فناوری غذایی در سراسر جهان به 22.3 میلیارد دلار رسیده است. با تحولات اخیر تکنولوژیک در کشاورزی جهان، در تضمین امنیت غذایی و ایمنی غذایی در ایران، استفاده از توان بخش خصوصی در توسعه فناوری‌های ژنومی در مواد غذایی و میکروبیوم کشاورزی را نمی‌توان کم اهمیت جلوه داد. کاربرد ژنومیک در میکروبیوم مواد غذایی برای رفع برخی از چالش‌های زراعی و چالش‌های مرتبط با ایمنی مواد غذایی در کشورهای توسعه یافته با موفقیت مورد استفاده قرار گرفته است. لذا، پیاده‌سازی و پذیرش فناوری‌های ژنومی برای بهبود تولیدات کشاورزی در ایران باید با توجه به پیشرفت این فناوری قابل اجرا باشد. طرفه اینکه با تداوم پیشرفت‌های سریع در فن‌آوری‌های ژنومی، کاربرد ژنومیک برای شناسایی و انتقال ژن‌های زراعی ارزشمند از استخرهای ژنی و خویشاوندان زراعی به محصولات زراعی گزینش شده، سرعت بیشتری خواهد داشت و به مقابله با چالش ادامه دار تولید جهانی غذا کمک می‌کند. ظهور فن آوری‌های ژنومی مانند انتخاب به کمک نشانگر مولکولی در افزایش بهره‌وری به ویژه در کشورهای توسعه یافته کاملاً کارآمد گزارش شده است. تولیدات کشاورزی در ایران با چالش‌های (مختلف) از جمله خشکسالی، بیماری و تنش گرمایی مواجه است که منجر به عملکرد پایین کشاورزی می‌شود. ایران، خانه تنوع غنی از منابع ژنتیکی گیاهی است که در گذشته مورد بهره‌برداری نسبی قرار گرفته‌اند، که می‌توانند کمک زیادی به تضمین امنیت غذایی و ایجاد ثروت در کشور داشته باشند.

سیستم‌های فعلی تولید مواد غذایی در ایران تحت فشار شدیدی هستند تا تاب‌آوری و بهره‌وری خود را بیشترکرده و جمعیت کشور را تغذیه کنند. اما نکته مهم این است که این افزایش قابل توجه در تولید مواد غذایی باید با منابع زمینی و سیستم‌های آبی محدود یا حتی در حال تهی شدن به دست آید و تقاضا برای حفظ اکوسیستم نیز برآورده شود. سیستم‌های سنتی اصلاح نباتات برای دهه‌ها در ایران وجود داشته است و مجموعه‌ای از ارقام پرمحصول را در سراسر کشور ارائه می‌دهد. با این حال، زمان طولانی‌تر سرمایه‌گذاری در چرخه‌های رشد و پرورش انواع، مانعی برای پاسخ سریع کشاورزان به تقاضای رو به رشد برای تولید مواد غذایی است. بهبود نرخ بازگشت سرمایه، نرخ بازده داخلی تحقیقات اصلاحی و افزایش بهره‌وری محصول از طریق اصلاح به دنبال تغییرات دگرگونی در عملیات اصلاح گیاهان است. در این میان، پیشرفت‌های اخیر در فن‌آوری‌های ژنومیک مانند ویرایش ژن، چرخش سریع نسل، انتخاب ژنومی و اصلاح مبتنی بر هاپلوتیپ، یافتن نقاط عطف کلیدی در توالی‌یابی ژنوم گیاهی، معماری صفت و تغییر صفت، کشف ژن، آنالیز خصیصه‌ها، دینامیک ژنوم، مطالعات فیلوژنتیکی و تکاملی، و فهرست‌نویسی بهتر عناصر تکراری، از یکسوی و توالی‌یابی ژنوم‌های مرجع در گونه‌های مختلف گیاهی، دسترسی به نشانگرهای ژنتیکی گسترده در سطح ژنوم را امکان‌پذیر کرده است که ابزاری ضروری برای اصلاح ژنومیک هستند و قدرت بیشتری به جعبه ابزار متخصصین کشاورزی بخشیده و قادر است، نرخ دستاوردهای ژنتیکی را در برنامه‌های اصلاحی افزایش دهد تا در پیگیری اهداف ملی خود برای تولید غذای پایدار امیدوارتر شویم. ژنومیکس کشاورزی از فناوری برای مطالعه و طبقه‌بندی ژن‌های گیاهان به منظور توسعه انواع جدید و خاص از محصولات استفاده می‌کند. این محصولات جدید می‌توانند به رفع مشکلات مختلف غذایی در ایران کمک کنند و می‌توانند کارایی، بهره‌وری و پایداری بسیاری از گونه‌های گیاهی را بهبود بخشند. نوآوری‌های ژنومی به پیشرفت در توسعه محصولات کشاورزی مانند انتخاب صفات مطلوب کشاورزی کمک کرده است. این صفات امیدوارکننده اغلب شامل عملکرد بالاتر محصول، تحمل به تنش و مقاومت در برابر آفات است. به نظر می رسد تا سال 2030 کاهش عملکرد ناشی از درجه حرارت شدید،  الگوهای بارندگی تغییر یافته که منجر به خشکسالی و سیل می‌شود و فراوانی سایر رویدادهای شدید آب و هوایی که به دلیل تغییر اقلیم انتظار می‌رود، افزایش یابد. عوامل بیماری زا و آفات گیاهان زراعی نیز ممکن است توزیع جغرافیایی خود را تغییر دهند، با افزایش پیش‌بینی شده شدت ناشی از تغییرات در بارندگی، افزایش دما و غلظت CO ₂ رویکردهای جدید اصلاح نباتات برای کاهش و تعدیل برخی از بدترین سناریوهای تغییرات آب و هوایی و در عین حال تضمین حفظ تولید محصول پایدار مورد نیاز است و استفاده از ژنومیکس می‌تواند توسعه توان تولید محصولات زراعی را با ویژگی‌هایی که پایداری را افزایش می‌دهد یا تقاضای مصرف‌کننده را برآورده می‌کند، سرعت بخشد.