چالش های شوری و راهکارهای اصلاحی در گیاه نیشکر: بررسی تاثیر شوری و روش های نوآورانه برای سازگاری

چکیده مبسوط مقدمه و هدف: نیشکر (L.Saccharum officinarum  از خانواده Poaceae) یکی از مهم ترین محصولات اقتصادی جهان است که به دلیل تولید شکر، اتانول، بیوانرژی، و باگاس به صورت گسترده در مناطق گرمسیری و نیمه گرمسیری کشت می شود. با توجه به نقش کلیدی نیشکر در تامین انرژی های تجدیدپذیر و محصولات مشتق شده از آن، این گیاه در کانون توجه بسیاری از تحقیقات کشاورزی و صنعتی قرار دارد. اما یکی از مهم ترین چالش هایی که تولید نیشکر را به ویژه در مناطق شور تحت تاثیر قرار می دهد، تنش شوری است. شوری خاک به عنوان یکی از مهم ترین تنش های محیطی، موجب کاهش رشد و عملکرد گیاه می شود و در سطح جهانی تهدیدی جدی برای تولید محصولات کشاورزی ایجاد می کند. تنش شوری تاثیرات منفی بسیاری بر رشد و توسعه نیشکر دارد؛ از جمله کاهش جذب آب، اختلال در متابولیسم و تجمع سدیم در بافت های گیاهی. در نتیجه، کاهش شدید عملکرد و کیفیت محصول در مناطقی که با شوری مواجه هستند، به یکی از مهم ترین دغدغه های کشاورزان و محققان تبدیل شده است. این مقاله مروری با هدف بررسی چالش های ناشی از شوری در نیشکر و ارائه راهکارهای نوین اصلاحی برای افزایش مقاومت این گیاه در برابر شوری تدوین شده‎است. مواد و روش ها: این مطالعه مروری با استفاده از جستجوی سیستماتیک در پایگاه های داده علمی معتبر مانند PubMed، Scopus و Web of Science انجام شده‎است. ابتدا، بیش از ۱۰۰ مقاله که به موضوع شوری و نیشکر مرتبط بودند، مورد بررسی قرار گرفتند. معیارهای انتخاب مقالات شامل انتشار در مجلات معتبر با داوری همتا، مرتبط بودن با موضوع شوری و تمرکز بر روش های نوین اصلاحی بودند. پس از بررسی اولیه، مقالاتی که به طور خاص به راهکارهای نوین برای اصلاح نیشکر در برابر شوری پرداخته بودند، انتخاب و تحلیل شدند. اطلاعات استخراج شده از مقالات به صورت کیفی تحلیل و دسته بندی شدند تا چالش ها و روندهای اصلی شناسایی شوند. یافته‎ها: نتایج این مطالعه نشان می دهند که شوری تاثیرات منفی گسترده ای بر فرآیندهای فیزیولوژیکی و بیوشیمیایی نیشکر دارد. در مراحل اولیه تنش شوری، گیاه به‎دلیل کمبود آب و ایجاد تنش اسمزی با کاهش جذب آب و بسته­شدن روزنه ها مواجه می شود که منجر به کاهش فتوسنتز و در نهایت کاهش رشد گیاه می شود. تجمع سدیم در سلول ها باعث ایجاد تنش یونی می شود که با تخریب غشاهای سلولی و کاهش فعالیت های آنزیمی همراه است. این فرایندها موجب پیری زودرس برگ ها و کاهش شدید غلظت ساکارز در ساقه های نیشکر می شوند، که تاثیر مستقیمی بر کیفیت محصول نهایی دارد. برای مقابله با این چالش ها، روش های مختلفی در سطح جهانی به کار گرفته شده اند. یکی از اصلی ترین روش ها، اصلاح ژنتیکی نیشکر از طریق روش های سنتی مانند انتخاب والدین مقاوم به شوری و انجام هیبریداسیون است. این روش ها امکان تولید ارقامی را فراهم می کنند که در شرایط شور مقاومت بیشتری از خود نشان می دهند. با این حال، به دلیل پیچیدگی های ژنوم نیشکر که شامل چندین مجموعه کروموزومی است، این فرآیند بسیار زمان بر است و گاهی ۷ تا ۱۲ سال برای تولید یک رقم مقاوم به شوری زمان نیاز دارد. همچنین، این پیچیدگی ژنتیکی باعث می شود که هر تلاقی هیبرید به صورت رویدادی منحصر به فرد و غیر قابل پیش بینی باشد، که این موضوع روند به نژادی را پیچیده تر می کند. در کنار روش های سنتی، رویکردهای نوین مولکولی به عنوان یکی از راهکارهای مهم اصلاح نیشکر در برابر شوری مطرح شده اند. ابزارهای مولکولی نظیر نشانگرهای مبتنی بر PCR و فناوری های ویرایش ژنومی مانند CRISPR می توانند با هدف قرار دادن ژن های کلیدی مقاومت به شوری و حذف یا تغییر ژن های حساس، به تولید ارقام نیشکر مقاوم به شوری کمک کنند. این روش ها نه تنها زمان لازم برای بهبود مقاومت را کاهش می دهند، بلکه امکان اصلاح دقیق تر و مطمئن تر را فراهم می کنند. علاوه بر اصلاح ژنتیکی، استفاده از میکروارگانیسم های محرک رشد گیاه (PGPBs) نیز به عنوان یک رویکرد موثر در کاهش اثرات شوری مطرح شده است. این میکروارگانیسم ها از طریق تولید هورمون های گیاهی مانند ایندول-۳-استیک اسید (IAA) و سیتوکینین ها، بهبود تبادل مواد مغذی، و تنظیم ترکیبات محافظ اسمزی نظیر قند کل محلول (TSS) و پرولین، به افزایش مقاومت نیشکر در برابر شوری کمک می کنند. همچنین، این میکروب ها با تولید آنتی بیوتیک ها، سیانید هیدروژن، و سایر ترکیبات ضدپاتوژن، از گیاه در برابر بیماری ها و عوامل محیطی محافظت می کنند. تحقیقات نشان داده ­اند که استفاده از این میکروارگانیسم ها می تواند اثرات منفی شوری را به طور قابل توجهی کاهش دهد و عملکرد نیشکر را در شرایط شور بهبود بخشد. روش های omics مانند ترنسکریپتومیکس، پروتئومیکس، متابولومیکس و یونومیکس به عنوان ابزارهای موثر در شناسایی ژن ها و مسیرهای مولکولی مرتبط با تحمل به شوری شناخته شده اند. این تکنیک ها به محققان امکان می دهند تا الگوهای بیان ژنی تحت شرایط شوری را شناسایی کنند و راهکارهای جدیدی را برای بهبود مقاومت نیشکر به شوری ارائه دهند. به ویژه، فناوری توالی یابی نسل جدید (NGS) نقش مهمی را در این زمینه ایفا کرده است و مطالعات ترنسکریپتوم بافت های مختلف نیشکر تحت شرایط تنش شوری را تسریع بخشیده است. نتیجه گیری: در مجموع، نتایج این بررسی نشان می دهند که شوری به عنوان یکی از چالش های اصلی در تولید نیشکر، اثرات منفی گسترده ای بر رشد و عملکرد این گیاه دارد. با این حال، استفاده از روش های نوین اصلاحی، نظیر اصلاح ژنتیکی سنتی و مولکولی، استفاده از میکروارگانیسم های محرک رشد گیاه و بهره گیری از تکنیک های omics می تواند به طور قابل توجهی مقاومت نیشکر به شوری را بهبود بخشد. با توجه به اهمیت بالای نیشکر در صنعت جهانی، تحقیقات آینده باید بر بهینه سازی این روش ها و توسعه راهکارهای جدید متمرکز شوند تا از یک سو بهره وری و پایداری تولید نیشکر در مناطق شور افزایش یابد و از سوی دیگر بهبود کیفیت محصول نهایی تضمین شود.

کلیدواژه ها:

Breeding ، Morphological response ، Novel technology ، Omics technology ، Osmotic stress ، اصلاح ، پاسخ مرفولوژیک ، تنش اسمزی ، تکنولوژی امیکس ، تکنولوژی نوین