استخدام النظائر المشعة Isotopes في دراسات تحمل المحاصيل للجفاف
تستخدم النظائر المشعة لاقتفاء أثر المركبات الحيوية في العمليات الفسيولوجية. ويعتبر نظير الكربون المشع C14 من أكثر النظائر المشعة استخداما في الدراسات الفسيولوجية، حيث يستخدم في دراسة تمثيل الكربون بواسطة الأوراق الخضراء الحية، وأستخدمه كالفيين وبينسون في التعرف على المركبات الوسطية في عملية التمثيل الضوئي ووجدا أن ثاني أكسيد الكربون 14CO2 الممتص يتوزع كالتالي :
87 % حمض فوسفوجليسريك
10 % حمض فوسفو بيروفيك
13 % حمض ماليك.
كما أفاد استخدام الكربون المشع في استكشاف عملية التخليق الحيوي للمركبات المختلفة بالنبات، بالإضافة إلى إمكانية استخدامه في إنتاج مواد عضوية مرقمة بالكربون المشع رخيصة الثمن مثل الجلوكوز المرقم وغيره.
كما تستخدم النظائر الثابتة N15 في دراسة تحولات وحركة النيتروجين بالنبات والتربة ويستخدم نظير الاوكسجين 18 O في دراسات التمثيل الضوئي بالنبات، حيث أمكن معرفة أن الاوكسجين الناتج من عملية التمثيل الضوئي مصدره مباشرة الماء.
وعموماً يجرى تحليل نسبة نظير الكربون التمييزي Carbon isotope C13/ 12C ( CID) discrimination)) باستخدام جهاز Multiple - collector mass spectrometer متصل بمحلل Analyser meter والذي يسمح بتحليل 50 عينة نباتية في اليوم. وتقدر القيمة C13 ᵟ للعينة النباتية المعادلة :
13C (%) = {(R sample/ R reference) - 1} x 100 ᵟ
حيث R sample : تمثل نسبة C12 /13C في العينة النباتية.
0.0112372 = R reference
ويجرى تحليل الـ Carbon isotope discrimination للعينة النباتية والتي قد تكون عينات من الأوراق في مرحلة التزهير أو قطاعات من السيقان الناضجة أو الحبوب عند الحصاد وتقاس قيم (CID (∆ والتي تعكس الفرق بين تركيب النظير في الهواء (δa) وتركيب النظير في العينة النباتية (δp) ، لتكون المعادلة في الصورة الآتية:
CID (∆) = (δ13Ca - δ13Cp) / (1 +δ13Cp)
حيث تعتبر قيم (∆) CID معياراً لتحسين كفاءة استخدام الماء والمحصول تحت ظروف الجفاف في محاصيل الحبوب مثل القمح والشعير والبقول مثل الفاصوليا وغيرها. فهي مؤشر انتخابي غير مباشر لتحسين كفاءة استخدام الماء والمحصول حيث ارتبطت قيم (∆) CID مع ضغط ك أ 2 الداخلي بالورقة والذي يضبط وينظم بكل من فتحة الثغر ونشاط أنزيم RuBisCO .
وقد أشارت نتائج دراسة Al-Hakimi وآخرون (1996) إلى وجود ارتباط موجب عالي المعنوية بين قيم (∆) ومحصول الحبوب ففي الأجيال الثاني والثالث لعشيرة هجين قمح الديورم ( (Tp9 x Om Rabi . وسجلت تقديرات عالية لمعامل التوريث في المعنى العام وكفاءة التوريث المدركة والتحسين الوراثي المتوقع بالانتخاب لنظير الكربون (∆)، في حين كانت قيم معامل التوريث في المعنى الخاص متوسطة (%37) (الجدول التالي) ، في إشارة إلى أهمية كل من الفعل الجيني المضيف والسيادي في وراثة الصفة.
جدول يبين متوسط محصول حبوب النبات وقيم Carbon isotope discrimination ومعامل التوريث للآباء والجيل الثاني لهجين قمح الديورم Tp9 X Om Rabi))
ويعد استخدام النظائر المشعة أحد الاتجاهات البحثية المفيدة في التعرف على التراكيب الوراثية المتميزة في كفاءة استخدام الماء ومعدلات نمو المحصول. فيفيد استخذاء نظير الكربون ∆13C كتقنية بديلة لكفاءة استخدام الماء WUE في دراسة الاختلافات الوراثية في كفاءة استخدام الماء، كما يعتبر مقياس سريع ودقيق في تحديد الطرز العالية في إنتاج المادة الجافة والتي تتميز بكفاءة ميزوفيل عالية في تثبيت الكربون ومعدل عملية الكربكسلة ومحتوى أنزيم RuBisCO . كما تعتبر الزيادة في قيم نظير الاوكسجين ∆18O مؤشر دقيق المعدل النتح ودرجة التوصيل الثغري.
ولقد أظهرت نتائج الدراسات أن التراكيب الوراثية التي تتميز بالقدرة على ، الاحتفاظ بمحتوى عالي من الماء في خلاياها، تكون ذات كفاءة عالية في استخدام الماء دون نقص في معدل النتح، مع إنتاج عالي من المادة الجافة، فالأصناف التي تسجل قيماً منخفضة لـ ∆13C (العالية في كفاءة استخدام الماء)، تقترن مع القيم العالية لـ 18O∆ (العالية في معدل النتح) ، تتميز بمعدل تراكم عالي للمادة الجافة الكلية. حيث وجدت علاقة سالبة قوية بين قيم ∆13C وكفاءة استخدام الماء، وعلاقة موجبة وقوية بين قيم 18O∆ ومتوسط معدل النتح .
وبناء على تقديرات نظير الكربون 13C∆ والاوكسجين 18O∆ يمكن تصنيف التراكيب الوراثية في أقسام واضحة : فالتركيب الوراثي المنخفض في 13C∆ والمرتفع في 18O∆ يتميز بكفاءة أعلى في تثبيت الكربون وعملية الكربكسلة وإنتاج أعلى من الجافة مقارنة بالتراكيب الوراثية الأخرى. وفى هذا الصدد فقد سجل Impa ومعاونوه (2003) اختلافات وراثية معنوية بين سلالات وأصناف الأرز في كفاءة استخدام الماء والصفات الفسيولوجية المرتبطة. وتميزت مجموعة التراكيب الوراثية المنخفضة في قيم 13C∆ (عالية في كفاءة استخدام الماء) ، والعالية في قيم 18O∆ (العالية في معدل النتح) بإنتاج أعلى كمية من المادة الجافة. وفى هذا السياق، أمكن توظيف معلمات دنا في دراسة صفات الثغور والميزوفيل وغربلة عديد من جیرمبلازم الأرز وتمييز التراكيب الأبوية المرغوبة باستخدام 350 بادئ Arbitrary primers لدراسة الأشكال المتعددة من دنا. وأمكن تمييز موقع جيني معين لدرجة التوصيل الثغري باستخدام البادئ OPF8.
وفى الفول السوداني أفاد استخدام هذه التقنية في غربلة 120 سلالة، حيث تميزت السلالات المنخفضة في 13C∆ (العالية في كفاءة استخدام الماء والمرتفعة في 18O∆ (العالية في معدل النتح) بإنتاج أعلى كمية من المادة الجافة وصلت إلى الضعف مقارنة بباقي السلالات المدروسة (2003 ,.Shashidhar et al) .
وتأكيداً لهذا التوجه فقد ارتبطت معلمات الصفة الكمية QTL مع نظير الأوكسجين 18O∆ والكربون 13C∆ في سلالات الأرز الثنا أحادية - Doupled haploid الناتجة من زراعة المتوك. وأفادت في تمييز الاختلافات الوراثية على مستوى الحمض النووي دنا في صفتي كفاءة استخدام الماء ومعدل النتح ذات الصلة وتحمل الجفاف (2003 ,.Nadaradjan et al) . ويشير ذلك إلى أهمية استخدام النظائر المشعة أو الثابتة كاتجاه مفيد في تحديد التراكيب الوراثية الأكثر كفاءة في تثبيت الكربون وعملية الكربكسلة ومحتوى إنزيم RuBisCo لإدخالها كآباء في برامج تحسين المحصول تحت ظروف الجفاف.
