کاربردهای بیوانفورماتیک در کشاورزی

بررسی کاربردهای پیشرفته بیوانفورماتیک در بهبود عملکرد و پایداری کشاورزی

بیوانفورماتیک با استفاده از ابزارها و تکنیک ‌های محاسباتی برای تجزیه و تحلیل داده‌ های بیولوژیکی و رسیدگی به چالش‌ های مختلف در بهبود محصول، اصلاح نباتات و پایداری کشاورزی، نقش مهمی در صنعت کشاورزی ایفا می‌کند. در اینجا برخی از کاربردهای بیوانفورماتیک در کشاورزی آورده شده است:

ژنومیک و اصلاح مولکولی

Genomics and Molecular Breeding

بیوانفورماتیک تجزیه و تحلیل ژنوم ‌های گیاهی، رونوشت‌ها و پروتئوم‌ها را برای شناسایی ژن‌ها و تغییرات ژنتیکی مرتبط با صفات مطلوب مانند عملکرد، مقاومت به بیماری و تحمل به تنش تسهیل می‌کند. این اطلاعات برای تسریع برنامه های اصلاح مولکولی با هدف توسعه واریته های زراعی بهبود یافته با صفات زراعی مطلوب استفاده می شود.

 

 

انتخاب به کمک نشانگر (MAS) 

Marker-Assisted Selection (MAS)

 ابزارهای بیوانفورماتیک شناسایی و اعتبار سنجی نشانگرهای مولکولی مرتبط با صفات مهم زراعی را امکان پذیر می کنند. این نشانگرها به‌عنوان برچسب‌های مولکولی عمل می‌کنند که می‌توانند برای ردیابی و انتخاب صفات مورد نظر در طول فرآیند اصلاح استفاده شوند و امکان بهبود کارآمدتر و دقیق‌تر محصول را فراهم کنند.

Genome-Wide Association Studies (GWAS)

بیوانفورماتیک GWAS را با تجزیه و تحلیل تغییرات ژنتیکی در کل ژنوم برای شناسایی ارتباط بین نشانگرهای ژنتیکی خاص و صفات پیچیده در محصولات تسهیل می‌کند. این رویکرد به کشف اساس ژنتیکی صفات مهم زراعی کمک می کند و بینش هایی را در مورد مکانیسم های بیولوژیکی ارائه می دهد.

ژنومیکس عملکردی

Functional Genomics

بیوانفورماتیک به حاشیه نویسی و تجزیه و تحلیل عملکردی ژنوم گیاهان کمک می کند. ژنومیکس به محققان کمک می کند تا نقش ژن ها و عناصر تنظیم کننده در رشد گیاه، فیزیولوژی و پاسخ های استرس را درک کنند. این دانش از تلاش‌های هدفمند مهندسی ژنتیک برای اصلاح ویژگی‌های محصول و بهبود بهره‌ وری کشاورزی خبر می‌دهد.

 

 

متاژنومیکس و تجزیه و تحلیل میکروبیوم

Metagenomics and Microbiome Analysis

 ابزارهای بیوانفورماتیک برای تجزیه و تحلیل ترکیب و عملکرد جوامع میکروبی مرتبط با گیاهان، خاک و ریزوسفر استفاده می شود. درک میکروبیوم گیاه و تعاملات آن با گیاهان میزبان می تواند منجر به توسعه راه حل های مبتنی بر میکروبی برای افزایش جذب مواد مغذی، سرکوب بیماری ها و سلامت خاک در کشاورزی شود.

فیلوژنتیک و مطالعات تکاملی

Phylogenetics and Evolutionary Studies

 بیوانفورماتیک بازسازی درختان فیلوژنتیک و روابط تکاملی بین گونه‌های گیاهی را امکان‌پذیر می‌سازد، و بینشی در مورد تنوع ژنتیکی، تاریخچه تکاملی و اهلی‌سازی گیاهان زراعی فراهم می‌کند. این اطلاعات تلاش‌های حفاظت از ژرم پلاسم و استفاده از خویشاوندان وحشی را برای بهبود محصول راهنمایی می‌کند.

 

این تصویر به توضیح مفهوم فیلوژنتیک می پردازد و متعلق به مقاله What is Phylogenetics است

مدل‌سازی محصول و زیست‌شناسی سیستم‌ها 

Crop Modeling and Systems Biology

بیوانفورماتیک به توسعه مدل‌ ها و شبیه ‌سازی ‌های محاسباتی کمک می‌کند که داده‌های ژنومی، محیطی و فیزیولوژیکی را برای پیش ‌بینی عملکرد محصول در شرایط مختلف رشد یکپارچه می‌کند. این مدل ‌های پیش ‌بینی‌کننده به بهینه ‌سازی شیوه‌ های مدیریت محصول، کاهش اثرات تغییرات آب و هوا و تضمین تولید کشاورزی پایدار کمک می‌کنند.

ترانسکریپتومیکس زراعی

Crop Transcriptomics

 ترانسکریپتومیکس شامل مطالعه رونوشت است که شامل تمام مولکول های RNA تولید شده توسط یک سلول یا ارگانیسم است. ابزارهای بیوانفورماتیک برای تجزیه و تحلیل داده‌های رونویسی تولید شده از آزمایش‌های توالی‌یابی RNA (RNA-seq) در محصولات استفاده می‌شوند. این به درک الگوهای بیان ژن، شبکه های تنظیمی و پاسخ های مولکولی به نشانه های محیطی، پاتوژن ها و عوامل استرس زا کمک می کند. تجزیه و تحلیل ترانسکریپتومیک همچنین ژن‌های کاندید را برای بهبود محصول شناسایی می‌کند و بینش‌هایی را در مورد مکانیسم ‌های مولکولی ویژگی‌های مهم زراعی ارائه می‌دهد.

 

دسترسی به متن کامل مقاله از Ecosystem United

کاربردهای بیوانفورماتیک در کشاورزی

اپی ژنومیکس 

Epigenomics

 مطالعه تغییرات اپی ژنتیکی، مانند متیلاسیون DNA و تغییرات هیستون، که بیان ژن را بدون تغییر توالی DNA تنظیم می کند، اپی ژنومیکس نام دارد. روش‌های بیوانفورماتیک برای تجزیه و تحلیل داده‌های اپی ژنومیک در محصولات، آشکار کردن تنوع اپی ژنتیکی در ژنوتیپ ‌های مختلف، مراحل رشد و شرایط محیطی استفاده می‌شوند. درک مقررات اپی ژنتیک اطلاعات ارزشمندی را در مورد سازگاری محصول، انعطاف‌پذیری فنوتیپی و انعطاف‌پذیری در برابر استرس ارائه می‌دهد. همچنین راه‌ های جدیدی را برای افزایش محصول از طریق استراتژی‌های اصلاح اپی ژنتیکی ارائه می‌دهد.

ژنتیک کمی و نقشه برداری QTL

Quantitative Genetics and QTL Mapping

 بیوانفورماتیک مطالعات ژنتیک کمی را با هدف تشریح معماری ژنتیکی صفات پیچیده در محصولات تسهیل می کند. از روش‌های آماری و محاسباتی برای انجام نقشه ‌برداری مکان صفت کمی (QTL) استفاده می‌شود. مناطق ژنومی مرتبط با تنوع صفت با استفاده از پیوند ژنتیکی یا رویکردهای نقشه ‌برداری ارتباطی شناسایی می شوند. نقشه برداری QTL به اولویت بندی ژن های کاندید برای اعتبار سنجی عملکردی بیشتر و اصلاح به کمک نشانگر کمک می کند و امکان توسعه محصولات با عملکرد، کیفیت و انعطاف پذیری بهتر در برابر تنش های زنده و غیر زنده را فراهم می کند.

 

این تصویر متعلق به مقاله The genetic dissection of quantitative traits in crops می باشد

.

فنومیکس و فنوتیپ با توان عملیاتی بالا

Phenomics and High-Throughput Phenotyping

 فنومیکس شامل تجزیه و تحلیل جامع صفات فنوتیپی در سطح گیاه یا ارگانیسم است که اغلب از پلتفرم های فنوتیپ با توان بالا و فناوری های تصویربرداری استفاده می کند. ابزارهای بیوانفورماتیک برای پردازش، تجزیه و تحلیل و تفسیر مجموعه داده‌های فنوتیپی در مقیاس بزرگ، استخراج اندازه‌گیری‌های کمی صفات، ویژگی‌های مورفولوژیکی و پارامترهای فیزیولوژیکی از داده‌های تصویربرداری استفاده می‌شوند. ادغام داده های فنومیک و ژنومی، ارتباط ژنوتیپ-فنوتیپ، تشریح صفت، و تجزیه و تحلیل برهمکنش ژنوتیپ به محیط را امکان پذیر می کند و انتخاب ژنوتیپ های برتر را برای بهبود محصول و کاربردهای کشاورزی دقیق تسهیل می کند.

انتخاب ژنومی و اصلاح پیش‌بینی‌کننده

Genomic Selection and Predictive Breeding

 انتخاب ژنومی، داده‌های ژنومی را با اطلاعات فنوتیپی ترکیب کرده تا ارزش اصلاحی افراد در جمعیت‌های اصلاح‌کننده را پیش‌بینی کند. روش‌های بیوانفورماتیک برای توسعه مدل‌های پیش‌بینی ژنومی با استفاده از الگوریتم‌های یادگیری ماشین (machine learning algorithms)، بهترین پیش‌ بینی خطی ژنومی (GBLUP)، یا رویکردهای استنباط بیزی (Bayesian inference) استفاده می‌شوند. انتخاب ژنومی شناسایی زودهنگام ژرم پلاسم نخبه، انتخاب والدین و افزایش سریع دستاوردهای ژنتیکی در برنامه‌های اصلاحی را ممکن می‌سازد و کارایی و دقت بهبود محصول را افزایش می‌دهد.

به طور کلی، بیوانفورماتیک به عنوان یک ابزار قدرتمند برای بهره ‌برداری از داده‌ های بیولوژیکی در کشاورزی، هدایت نوآوری و قادر ساختن استراتژی ‌های اصلاح دقیق برای پاسخگویی به تقاضاهای رو به رشد برای امنیت غذایی، پایداری زیست ‌محیطی و انعطاف ‌پذیری در سیستم‌ های کشاورزی عمل می‌کند.

موارد اشاره شده راه ‌های متنوعی است که بیوانفورماتیک با استفاده از روش‌های محاسباتی برای تجزیه و تحلیل داده‌های بیولوژیکی، رمزگشایی صفات پیچیده و تسریع شیوه‌ های مدیریتی برای تولید مواد غذایی پایدار، کشاورزی را متحول می‌کند.

کاربردهای بیوانفورماتیک در کشاورزی

منابع

• Varshney, R. K., & Dubey, A. (2009). “Genomics-assisted breeding of crop plants.” Springer Science & Business Media.

• Jiao, Y., & Schneeberger, K. (2021). “The impact of third-generation genomic technologies on plant genome assembly.” Annual Review of Plant Biology, 72, 29-54.
• Muthamilarasan, M., & Prasad, M. (Eds.). (2015). “Genomics-assisted crop improvement: Vol 2: Genomics applications in crops.” Springer.
• Grover, A., Sharma, P., & Kapoor, A. (2017). “Bioinformatics in Crop Improvement: A Review.” Agriculture Research, 6(4), 427-437.
• Tardieu, F., Cabrera-Bosquet, L., Pridmore, T., & Bennett, M. (2017). “Plant phenomics, from sensors to knowledge.” Current Biology, 27(15), R770-R783.
• Montes, J. M., Melchinger, A. E., & Reif, J. C. (2007). “Novel throughput phenotyping platforms in plant genetic studies.” Trends in Plant Science, 12(10), 433-436.
• Hickey, L. T., & Hafeez, A. N. (2017). “Genomic selection for crop improvement.” Springer International Publishing.

• Xu, Y., Crouch, J. H., & Shin, J. H. (2017). “Advances in molecular marker techniques and their applications in plant sciences.” Plant Cell Reports, 36(3), 391-406.