الاختيار بمساعدة العلامات

الانتقاء المدعوم بالعلامات الجينية ( MAS ) هو عملية انتقاء غير مباشرة، حيث يتم اختيار سمة مرغوبة بناءً على علامة جينية ( مورفولوجية ، أو كيميائية حيوية ، أو تباين في الحمض النووي DNA / RNA ) مرتبطة بتلك السمة (مثل الإنتاجية، ومقاومة الأمراض، وتحمل الإجهاد اللاأحيائي، والجودة)، بدلاً من الاعتماد على السمة نفسها. ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]} وقد خضعت هذه العملية لبحوث مكثفة، وتم اقتراحها في مجال تربية النباتات والحيوانات . ^{[ 5 ]}

على سبيل المثال، يتضمن استخدام تقنية التحديد الجزيئي (MAS) لاختيار الأفراد ذوي المقاومة للأمراض تحديد أليل دال مرتبط بمقاومة المرض، وليس مستوى المقاومة بحد ذاته. ويفترض هذا الأسلوب أن هذا الأليل يرتبط بتردد عالٍ بالجين أو الموضع الجيني الكمي (QTL) المطلوب، وذلك بسبب الارتباط الجيني (التقارب على الكروموسوم بين موضع الأليل الدال وموضع تحديد مقاومة المرض). ويمكن أن تكون تقنية التحديد الجزيئي مفيدة لاختيار الصفات التي يصعب قياسها أو تكون مكلفة، أو التي تتميز بانخفاض قابلية التوريث ، أو التي تظهر في مراحل متأخرة من النمو. وفي مراحل محددة من عملية التربية، تُفحص العينات للتأكد من أنها تُظهر الصفة المرغوبة.

تعتمد غالبية أعمال التلقيح الاصطناعي باستخدام المؤشرات الجزيئية في العصر الحالي على المؤشرات القائمة على الحمض النووي. ^{[ 5 ]} مع ذلك، كانت المؤشرات المورفولوجية هي أولى المؤشرات التي سمحت بالاختيار غير المباشر لصفة معينة. في عام 1923، أبلغ كارل ساكس لأول مرة عن ارتباط مؤشر وراثي بسيط وراثيًا بصفة كمية في النباتات، وذلك عندما لاحظ انفصال حجم البذور المرتبط بانفصال مؤشر لون غلاف البذرة في الفاصوليا ( Phaseolus vulgaris L.). ^{[ 6 ]} في عام 1935، أثبت ج. راسموسون ارتباط وقت الإزهار (صفة كمية) في البازلاء بجين بسيط وراثيًا للون الزهرة. ^{[ 7 ]}

قد تكون العلامات كالتالي:

• المورفولوجية - كانت هذه أولى المواقع الجينية التي توفرت والتي لها تأثير واضح على مورفولوجيا النباتات. غالبًا ما يمكن اكتشاف هذه العلامات بالعين المجردة، من خلال فحص بصري بسيط. تشمل أمثلة هذا النوع من العلامات وجود أو غياب السفاة ، ولون غمد الورقة، والطول، ولون الحبوب، ورائحة الأرز، وما إلى ذلك. في المحاصيل المدروسة جيدًا مثل الذرة والطماطم والبازلاء والشعير والقمح ، تم تحديد مواقع عشرات أو مئات الجينات التي تحدد الصفات المورفولوجية على مواقع كروموسومية محددة.
• بيوكيميائي - بروتين يمكن استخلاصه وملاحظته؛ على سبيل المثال، الإنزيمات المتماثلة وبروتينات التخزين .
• المؤشرات الخلوية - المؤشرات الخلوية هي سمات كروموسومية يمكن تحديدها باستخدام المجهر. وتتخذ هذه المؤشرات عادةً شكل نطاقات كروموسومية، وهي مناطق من الكروماتين تتشبع بأصباغ محددة تُستخدم في علم الخلايا . ويمكن ربط وجود أو غياب نطاق كروموسومي بصفة معينة، مما يشير إلى أن الموضع المسؤول عن هذه الصفة يقع داخل المنطقة المخططة أو بالقرب منها (مرتبط بها ارتباطًا وثيقًا). وقد شكلت المؤشرات المورفولوجية والخلوية الركيزة الأساسية للدراسات الجينية المبكرة في محاصيل مثل القمح والذرة. ^{[ 8 ]}
• قائم على الحمض النووي - بما في ذلكالميكروساتلايتات (المعروفة أيضًا باسم التكرارات الترادفية القصيرة، STRs، أو تكرارات التسلسل البسيط، SSRs)،وتعدد أطوال قطع التقييد(RFLP)،والتضخيم العشوائي للحمض النووي متعدد الأشكال(RAPD)،وتعدد أطوال القطع المضخمة(AFLP)، وتعدد أشكال النوكليوتيدات المفردة (SNPs). ^{[ 9 ]}

المصطلحات التالية أقل صلة بشكل عام بمناقشات استخدام تقنية MAS في تربية النباتات والحيوانات، ولكنها ذات صلة كبيرة في أبحاث البيولوجيا الجزيئية:

• العلامات الانتقائية الإيجابية هي علامات انتقائية تمنح الكائن المضيف ميزة انتقائية. ^{[ 10 ]} ومن الأمثلة على ذلك مقاومة المضادات الحيوية، التي تسمح للكائن المضيف بالبقاء على قيد الحياة في ظل الانتقاء المضاد للمضادات الحيوية.
• العلامات الانتقائية السلبية هي علامات انتقائية تقضي على نمو الكائن المضيف أو تثبطه عند الانتقاء. ^{[ 11 ]} ومن الأمثلة على ذلك إنزيم ثيميدين كيناز ، الذي يجعل المضيف حساسًا لانتقاء غانسيكلوفير .

يمكن التمييز بين المؤشرات الانتقائية (التي تستبعد أنماطًا جينية معينة من المجموعة) والمؤشرات القابلة للفحص (التي تجعل أنماطًا جينية معينة قابلة للتحديد بسهولة، وعندها يجب على الباحث تقييم المجموعة واتخاذ الإجراءات اللازمة للاحتفاظ بالأنماط الجينية المفضلة). تستخدم معظم تقنيات الانتقاء بمساعدة المؤشرات الجزيئية المؤشرات القابلة للفحص بدلاً من المؤشرات الانتقائية.

يُسبب الجين محل الاهتمام إنتاج بروتين أو بروتينات أو حمض نووي ريبوزي (RNA) يُنتج سمة أو نمطًا ظاهريًا مرغوبًا فيه، بينما ترتبط المؤشرات (تسلسل الحمض النووي DNA أو المؤشرات المورفولوجية أو الكيميائية الحيوية الناتجة عن هذا الحمض النووي) وراثيًا بالجين محل الاهتمام. يميل الجين محل الاهتمام والمؤشر إلى التحرك معًا أثناء انفصال الأمشاج نظرًا لقربهما على نفس الكروموسوم وما يصاحب ذلك من انخفاض في إعادة التركيب (أحداث عبور الكروموسومات) بينهما. بالنسبة لبعض السمات، تم اكتشاف الجين محل الاهتمام، ويمكن فحص وجود الأليلات المرغوبة مباشرةً بدرجة عالية من الثقة. مع ذلك، إذا كان الجين محل الاهتمام غير معروف، فلا يزال من الممكن استخدام المؤشرات المرتبطة به لاختيار الأفراد الذين يحملون الأليلات المرغوبة لهذا الجين. عند استخدام المؤشرات، قد تظهر بعض النتائج غير الدقيقة نتيجةً لعدم دقة الاختبارات التي تُجرى عليها. قد تحدث نتائج إيجابية خاطئة عند استخدام المؤشرات الجينية، نتيجةً لإعادة التركيب بين المؤشر الجيني المستهدف والجين (أو موقع الصفة الكمية). المؤشر الجيني المثالي لا يُظهر أي نتائج إيجابية خاطئة. يُستخدم مصطلح "المؤشر الجيني المثالي" أحيانًا عند إجراء اختبارات للكشف عن تعدد أشكال النوكليوتيدات المفردة (SNP) أو أي تعدد أشكال الحمض النووي في الجين المستهدف، إذا كان هذا التعدد هو السبب المباشر للصفة المستهدفة. مع ذلك، يظل مصطلح "المؤشر الجيني" مناسبًا عند فحص الجين المستهدف مباشرةً، لأن اختبار النمط الجيني هو اختبار غير مباشر للصفة أو النمط الظاهري المستهدف.

علامة مثالية:

• يسهل التعرف على الأنماط الظاهرية - من الناحية المثالية، جميع الأنماط الظاهرية الممكنة ( متماثلة ومتباينة الزيجوت ) من جميع الأليلات الممكنة
• يُظهر اختلافات قابلة للقياس في التعبير بين أنواع الصفات أو أليلات الجينات محل الاهتمام، في وقت مبكر من نمو الكائن الحي
• لا يختلف نجاح اختبار العلامة اعتمادًا على الأليل الموجود في موضع العلامة أو الأليل الموجود في الموضع المستهدف (الجين محل الاهتمام الذي يحدد السمة محل الاهتمام).
• التفاعل المنخفض أو المعدوم بين المؤشرات يسمح باستخدام العديد منها في نفس الوقت في مجتمع منفصل
• كثير العدد
• متعدد الأشكال

ترتبط المؤشرات المورفولوجية بالعديد من أوجه القصور العامة التي تقلل من فائدتها، بما في ذلك:

• تأخر ظهور العلامات حتى مراحل متأخرة من نمو الكائن الحي
• السماح للهيمنة بإخفاء الجينات الكامنة
• تعدد التأثيرات الجينية ، الذي لا يسمح باستخلاص استنتاجات سهلة وموجزة من جين واحد إلى سمة واحدة
• التأثيرات المربكة للجينات غير المرتبطة بالجين أو السمة محل الاهتمام ولكنها تؤثر أيضًا على المؤشر المورفولوجي ( التفاعل الجيني )
• التأثيرات المربكة المتكررة للعوامل البيئية التي تؤثر على الخصائص المورفولوجية للكائن الحي

لتجنب المشاكل الخاصة بالعلامات المورفولوجية، طُوّرت علامات تعتمد على الحمض النووي. تتميز هذه العلامات بتعدد أشكالها ، ونمط وراثي بسيط (غالباً ما يكون سائداً مشتركاً)، ووفرتها في جميع أنحاء الجينوم، وسهولة وسرعة اكتشافها، وقلة تأثيراتها المتعددة، وعدم اعتماد اكتشافها على المرحلة النمائية للكائن الحي. رُسمت خرائط العديد من هذه العلامات على كروموسومات مختلفة في محاصيل عديدة، منها الأرز والقمح والذرة وفول الصويا وغيرها، وفي الماشية كالأبقار والخنازير والدجاج. استُخدمت هذه العلامات في تحليل التنوع، وتحديد النسب، وبصمة الحمض النووي، والتنبؤ بأداء الهجائن. تُعد العلامات الجزيئية مفيدة في عمليات الانتقاء غير المباشر، إذ تُمكّن من الانتقاء اليدوي للأفراد لمزيد من التكاثر.

تنتشر "الجينات الرئيسية" المسؤولة عن الخصائص ذات الأهمية الاقتصادية في المملكة النباتية. تشمل هذه الخصائص مقاومة الأمراض، والعقم الذكري، ^{[ 12 ]} وعدم التوافق الذاتي، وغيرها من الخصائص المتعلقة بشكل ولون وبنية النباتات الكاملة، وغالبًا ما تكون أحادية أو قليلة الجينات. يمكن استخدام مواقع العلامات المرتبطة ارتباطًا وثيقًا بالجينات الرئيسية في عملية الانتقاء، وقد تكون في بعض الأحيان أكثر كفاءة من الانتقاء المباشر للجين المستهدف. قد تُعزى هذه الميزة في الكفاءة، على سبيل المثال، إلى زيادة التعبير عن الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA) الخاص بالعلامة في الحالات التي تكون فيها العلامة نفسها جينًا. في المقابل، في الحالات التي يختلف فيها الجين المستهدف بين أليلين بتعدد أشكال النوكليوتيدات المفردة الذي يصعب اكتشافه ، قد تُمثل العلامة الخارجية (سواء كانت جينًا آخر أو تعدد أشكال يسهل اكتشافه، مثل تكرار ترادفي قصير ) الخيار الأكثر واقعية.

هناك العديد من المؤشرات لاستخدام المؤشرات الجزيئية في اختيار سمة وراثية.

مواقف مثل:

• تظهر الصفة المختارة في وقت متأخر من نمو النبات، مثل سمات الثمار والزهور أو سمات البالغين التي تمر بفترة يافعة (بحيث لا يكون من الضروري انتظار اكتمال نمو الكائن الحي قبل اتخاذ الترتيبات اللازمة للتكاثر).
• يكون التعبير عن الجين المستهدف متنحيًا (بحيث يمكن تهجين الأفراد الذين يحملون الأليل المتنحي بشكل غير متجانس لإنتاج بعض النسل المتماثل الذي يحمل السمة المرغوبة).
• توجد شروط خاصة للتعبير عن الجينات المستهدفة، كما هو الحال في تربية النباتات لمقاومة الأمراض والآفات (حيث يتطلب الأمر عادةً تلقيح النبات بالمرض أو تعريضه للآفات). أحيانًا تكون طرق التلقيح غير موثوقة، وأحيانًا أخرى يُمنع التلقيح الميداني بمسببات الأمراض لأسباب تتعلق بالسلامة. علاوة على ذلك، يعتمد التعبير الجيني أحيانًا على الظروف البيئية.
• يتأثر النمط الظاهري بجينين أو أكثر غير مرتبطين (التفاعل الجيني). على سبيل المثال، يتم اختيار جينات متعددة توفر مقاومة ضد الأمراض أو الآفات الحشرية لتكوين تجمعات جينية .

تتناقص تكلفة تحديد النمط الجيني (على سبيل المثال، فحوصات المؤشرات الجزيئية المطلوبة هنا)، مما يزيد من جاذبية تقنية تحديد النمط الجيني باستخدام المؤشرات الجزيئية مع استمرار تطوير هذه التقنية. (بالإضافة إلى ذلك، تُعد تكلفة تحديد النمط الظاهري التي يقوم بها الإنسان عبئًا على العمالة ، وهو أعلى في الدول المتقدمة ويتزايد في الدول النامية).

تتمثل الخطوة الأولى عادةً في تحديد موقع الجين أو الموضع الكمي للصفة (QTL) المراد دراسته باستخدام تقنيات مختلفة، ثم استخدام هذه المعلومات في الانتقاء المدعوم بالعلامات الجينية. يُفضل عمومًا أن تكون العلامات المستخدمة قريبة من الجين المراد دراسته (أقل من 5 وحدات إعادة تركيب أو سنتيمورغان) لضمان أن تكون نسبة الأفراد المُنتقاة من الأفراد المُعاد تركيبها ضئيلة. يُستخدم عادةً علامتان جينيتان، وليس علامة واحدة فقط، لتقليل احتمالية الخطأ الناتج عن إعادة التركيب المتماثل. على سبيل المثال، عند استخدام علامتين متجاورتين في الوقت نفسه، بمسافة فاصلة بينهما تبلغ حوالي 20 سنتيمورغان، ترتفع احتمالية استعادة الجين المستهدف إلى 99%.

في النباتات، يتم عادةً تحديد مواقع الجينات الكمية (QTL) باستخدام مجموعات تهجين ثنائية الأبوين؛ حيث يتم إنتاج تهجين بين أبوين يمتلكان نمطًا ظاهريًا متباينًا للصفة المراد دراستها. تشمل المجموعات الشائعة الاستخدام السلالات شبه المتماثلة (NILs)، والسلالات المهجنة المعاد تركيبها (RILs)، والنباتات ثنائية الصيغة الصبغية (DH)، والتهجين العكسي، والجيل الثاني (F2 ₎ . يتم اختبار الارتباط بين النمط الظاهري والعلامات التي تم تحديد مواقعها مسبقًا في هذه المجموعات لتحديد موقع الجينات الكمية. تعتمد هذه التقنيات على الارتباط، ولذلك يُشار إليها باسم " تحديد مواقع الجينات المرتبطة ".

على النقيض من رسم خرائط QTL على مرحلتين و MAS، تم تطوير طريقة أحادية المرحلة لتربية تجمعات نباتية نموذجية. ^{[ 13 ] [ 14 ]}

في هذا النهج، تُحدد المؤشرات المرتبطة بالصفة المرغوبة خلال دورات التكاثر الأولى باستخدام رسم خرائط QTL، ثم تُستخدم المعلومات نفسها لاحقًا في نفس المجموعة. ويُبنى هيكل النسب في هذا النهج من عائلات ناتجة عن تهجين عدد من الآباء (في تهجينات ثلاثية أو رباعية). ويتم تحديد النمط الظاهري والنمط الجيني باستخدام مؤشرات جزيئية تُحدد الموقع المحتمل لـ QTL المرغوبة. يُساعد ذلك في تحديد المؤشرات وأليلاتها المرغوبة. وبمجرد تحديد هذه الأليلات المرغوبة، يتم زيادة ترددها، ويُقدّر الاستجابة للاختيار المدعوم بالمؤشرات. ثم تُستخدم أليلات المؤشرات ذات التأثير المرغوب في دورة الاختيار التالية أو في تجارب أخرى.

طُوّرت مؤخرًا تقنيات التنميط الجيني عالية الإنتاجية، والتي تتيح فحص العديد من الأنماط الجينية باستخدام المؤشرات الجينية. سيساعد هذا المربين على تحويل أساليب التربية التقليدية إلى الانتقاء المدعوم بالمؤشرات الجينية. ومن الأمثلة على هذه الأتمتة استخدام روبوتات عزل الحمض النووي، والرحلان الكهربائي الشعيري، وروبوتات المعايرة.

من الأمثلة الحديثة على نظام الأنابيب الشعرية جهاز التحليل الجيني Applied Biosystems 3130. وهو أحدث جيل من أجهزة الفصل الكهربائي رباعي الأنابيب الشعرية، والمخصصة للمختبرات ذات الإنتاجية المنخفضة إلى المتوسطة.

يُعدّ استخدام تقنية MAS عالية الإنتاجية ضروريًا لتحسين المحاصيل، نظرًا لعدم فعالية التقنيات الحالية من حيث التكلفة. وقد طُوّرت مصفوفات جينية للأرز بواسطة ماسوله وآخرون (2009)، وللقمح بواسطة بيرارد وآخرون (2009)، وبرناردو وآخرون (2015)، ورشيد وآخرون (2016)، وللبقوليات بواسطة فارشني وآخرون (2016)، بالإضافة إلى محاصيل أخرى متنوعة، إلا أن جميع هذه التقنيات تعاني من مشاكل تتعلق بالتخصيص، والتكلفة، والمرونة، وتكاليف المعدات. ^{[ 15 ]}

يتطلب نقل جين مرغوب فيه من صنف مانح (قد لا يكون متكيفًا) إلى صنف متلقٍ (متكيف - متكرر) ما لا يقل عن خمسة أو ستة أجيال من التزاوج العكسي . ويمكن تسريع استعادة النمط الجيني المتكرر باستخدام المؤشرات الجزيئية. إذا كان الجيل الأول (F1 ) متغاير الزيجوت لموقع المؤشر ، فإن الأفراد الذين يحملون الأليل (الأليلات) الأبوية المتكررة في موقع المؤشر في الجيل الأول أو الأجيال اللاحقة من التزاوج العكسي سيحملون أيضًا كروموسومًا موسومًا بالمؤشر.

تم اقتراح وتطبيق تقنية تجميع الجينات لتعزيز مقاومة النباتات للأمراض والحشرات عن طريق اختيار جينين أو أكثر في آن واحد. على سبيل المثال، في الأرز، طُوّرت هذه الأهرامات لمقاومة اللفحة البكتيرية واللفحة. وتتيح ميزة استخدام المؤشرات في هذه الحالة اختيار المؤشرات المرتبطة بأليلات مواقع الصفات الكمية (QTL) والتي لها نفس التأثير الظاهري.

وقد ثبت أيضاً أن تقنية التلقيح بمساعدة الموجات فوق الصوتية مفيدة لتحسين الثروة الحيوانية . ^{[ 16 ]}

يوجد جهد منسق لتنفيذ اختيار القمح ( القمح الصلب ( Triticum turgidum ) والقمح الشائع ( Triticum aestivum )) بمساعدة العلامات في الولايات المتحدة بالإضافة إلى مورد لاختيار العلامات على موقع Wheat CAP ( مشروع الزراعة المنسق ).

• رسم خرائط الارتباط
• تحديد مواقع الصفات الكمية على أساس العائلة
• علم جينوم التدجين
• تاريخ تربية النباتات
• التربية الجزيئية
• رسم خرائط الارتباط المتداخل
• تحديد مواقع QTL
• أساليب الانتقاء في تربية النباتات بناءً على طريقة التكاثر
• التكاثر الذكي

• مراجعة تطبيق نظام MAS في تحسين المحاصيل
• كولارد، برتراند سي واي؛ ماكيل، ديفيد جيه. (12 فبراير 2008). "الانتخاب المدعوم بالعلامات: منهج لتربية النباتات بدقة في القرن الحادي والعشرين" . المعاملات الفلسفية للجمعية الملكية ب: العلوم البيولوجية . 363 (1491): 557-572 . doi : 10.1098/rstb.2007.2170 . ISSN 0962-8436 . PMC 2610170. PMID 17715053 .   
• غوبتا، ب.ك.؛ لانغريدج، بيتر؛ مير، ر.ر. (11 ديسمبر 2009). "تربية القمح بمساعدة المؤشرات الجينية: الوضع الحالي والإمكانيات المستقبلية". التربية الجزيئية . 26 (2): 145-161 . doi : 10.1007/s11032-009-9359-7 . ISSN 1380-3743 . S2CID 9989382 .  
• موس، ستيفن ب.؛ موم، ريتا هـ. (1 يوليو 2008). "التربية الجزيئية للنباتات كأساس لتحسين المحاصيل في القرن الحادي والعشرين" . علم وظائف النبات . 147 (3). مطبعة جامعة أكسفورد : 969-977 . doi : 10.1104/pp.108.118232 . ISSN 1532-2548 . PMC 2442525. PMID 18612074. الجمعية الأمريكية لعلماء الأحياء النباتية .   
• تربية النباتات وعلم الجينوم