فنومیکس و داده های طیفی (Phenomics and Spectral Data)
رستم عبداللهی |
۱۶ تیر ۱۳۹۷

نویسنده: محمد قادرزاده، دانشجوی دکتری ژنتیک و اصلاح نژاد دام، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری

اساس اصلاح دام بر مبنای رکوردبرداری و ثبت داده های دقیق و کامل صفات مختلف دام و طیور می باشد. در واقع تصور بکارگیری شیوه های کلاسیک در اصلاح دام و تکنولوژی های جدید بدون داشتن رکوردهای کامل موفقیت چندانی حاصل نخواهد کرد. رکوردبرداری سنتی کاری پرزحمت، بسیار پرهزینه و وقت گیر بوده و در عین حال از دقت کافی برخوردار نمی باشد. به علت وجود این چالشها دانشمندان اصلاح نژاد در صدد رفع این مشکلات هستند و با استفاده از تکنولوژی های اومیکس زمینه جدید و نسل جدیدی از ثبت دیتاهای فنوتیپی به نام فنومیکس را پیشنهاد می دهند که در ادامه بیشتر به آن پرداخته خواهد شد.  در همین راستا امروز داده های طیفی (Spectral) به کمک سنسورها و اشعه مادون قرمز از صفات مختلف مانند اجزای شیر در اختیار محققان قرار می گیرد و این داده ها به محقق کمک می کنند تا بتوانند خصوصیات مورد نظر مانند میزان تولید متان، ورم پستان، وضعیت آبستنی را پیش بینی کنند (Laine et al., 2014).

توسعه تکنولوژی های پربازده مولکولی، از توالی یابی DNA تا آنالیز متابولیتها و پروتئومیکس، زمینه های جدیدی را پیش پای زیست شناسی باز کرده است. در گذشته اکثر مطالعات محدود چند فرد در جامعه می شد ولی با پیشرفت تکنولوژی های مدرن درحال حاضر امکان بررسی و مطالعه اکثر افراد یک جمعیت وجود دارد. تکنولوژی اجازه گرفتن نمونه کافی و مناسب از درخت زندگی را می دهد (Marcos Egea-Cortines., 2018) . برخی از این تکنولوژی ها امکان سنجش صفات فنوتیپی را در بازه ی زمانی طولانی، در جمعیتهای بزرگ که تحت تاثیر عوامل محیطی و سایر عوامل ناشناخته هستند فراهم می سازد. فنوتیپ در مقایسه با ژنوتیپ (یا حتی پروتئوم) دارای ابعاد مختلف بوده لذا اندازه گیری کلیه ی ابعاد صفات فنوتیپی امکان پذیر نمی باشد (Perez-Sanz,et al., 2017). در هر حال مفهوم فنومیکس(Phenomics) اشاره به مجموعه تکنولوژی هایی دارد که با روش آنالوگ داده های فنوتیپی حاصل از تکنولوژی های مولکولی اومیکس را در اختیار قرار می دهد. بسیاری از رویکردهای سنجش فنومیکس بر اساس سیستم های آنالیز تصویر و پروسه های بازسازی تصویر می باشد (Houle, et al 2010).

در حالیکه فرآیند عکس برداری ساده به نظر می رسد ولی استخراج ویژگی های مورد نظر، مانند شدت پیکسل تصویر، یا استخراج هندسه تصاویر به عنوان چالش های مهمی مطرح هستند. تنظیم کیفیت دوربین برای ثبت و ضبط اطلاعات مورد نیاز بسیار مهم می باشد، لذا همه این تنظیمات اثرات نهایی خود را بر آنالیز تصاویر خواهند گذاشت. استفاده همزمان از چندین دوربین با خاصیت فلوئورسنت، امواج مادون قرمز و تصویر برداری سه بعدی در مجموع باعث می شود انبوه زیادی از صفات ثبت و ضبظ شوند(Marcos Egea-Cortines et al., 2018 ) .

به عنوان مثال در گیاه آرابیدوپسیس غربالگری ترکیبی صفات، فنومیکس بوسیله ی استفاده از اسپکتروسکوپی مجهز به نور مادون قرمز برای آنالیز روغن، پروتئین، کربن و محتوای نیتروژن انجام می شود که در نتیجه مجموعه ای QTLs که صفات را کنترل می کنند، واریانس ژنتیکی، واریانس محیطی، اثرات متقابل اینها و اثرات ناشناخته نیز قابل تعیین هستند (Houle, et al 2010).

تعریف فنومیکس دام و طیور

اندازه گیری دقیق و قابل تکرار یک صفت یا تعیین فنوتیپ هسته و مرکز راهبردی جهت دقت در بهبود مدیریت و پیشرفت ژنتیکی می باشد. فنومیکس یک اصطلاح جدید است که در واقع بیانگر نسل جدید تعیین فنوتیپ صفات قابل اندازه گیری حیوانات با استفاده از روش شناسی ویژه که با تکیه بر تجزیه و تحلیل حجم زیادی از داده ها انجام می شودPaul et al., 2016) ).

 Houle و همکاران (۲۰۱۰) تعریف فنومیکس حیوانی را دست یابی به داده های فنوتیپی در ابعاد بزرگ در یک جمعیت عظیم از حیوانات ذکر نموده اند. همچنین در نسل جدید تعیین فنوتیپ می توان بطور عمده واکنشهای رفتاری و فیزیولوژیکی دام را در پاسخ به محرک های بیرونی و محیط ثبت و بررسی نمود.

 اهمیت فنومیکس دام و طیور چیست؟

در توجیه و پاسخ این سئوال، افرادی مانند Greenwood و Bell (2014) اعتقاد دارند فنومیکس دام وطیور اطلاعات زیادی با جزییات در دسترس قرار میدهد که به راحتی قابل دست یابی نیستند و همین امر باعث بهبود و کارایی سیستم های دام و طیور از طریق ژنتیک، ژنومیک و دیگر تکنولوژی های اومیکس می شود و کارایی دام در مرتع و مدیریت آن بهبود می یابد. تمرکز بر روی این مبحث موجب پیشرفتهای بنیادی در سیستم های تولیدی دام و طیور میشود. اگر تکنولوژی های نسل جدید تعیین فنوتیپ در اختیار قرار گیرند و بطور ویژه می توان گفت برای صفات مهم اقتصادی مانند مصرف خوراک، مقاومت به بیماری و عملکرد تولید مثلی که معمولا اندازه گیری آنها در مراتع سخت می باشد، بسیار حائز اهمیت هستند Paul et al., 2016) )

Pollak و همکاران (۲۰۱۲) معتقدند که فنومیکس دام و طیور می تواند بخش عمده ای از وراثت پذیری گمشده ی صفات را با استفاده از جداسازی، اندازه گیری های مکرر و دقیق فنوتیپها و شاخصه های فیزیولوژیکی صفات به دام بیاندازد. در واقع یکی دیگر از مزایای مهم نسل جدید تعیین فنوتیپ ایجاد شمار زیادی از رکوردهای فنوتیپی با دقت و تکرار بالا است که باعث غلبه بر برخی محدودیتهای پیش بینی های ژنومی می شود (Hocquette et al. 2012; Pollak et al. 2012 Coffey 2011, ).

فنومیکس در چه سطوحی قابل انجام است؟

فنوتیپها در بسیاری از سطوح شامل: رفتاری، مورفولوژیکی، مورفومتریک، فیزیولوژیکی و مولفه های تحت سلولی مانند ترانسکریپتها، پروتئینها و متابولیتها در سلولها و بافتها در پاسخ به محرکهای بیرونی در بازه های زمانی مختلف قابل اندازه گیری هستند. به عنوان مثال ( De Jager et al. 2013 ) جهت بررسی برنامه های بهبود ژنتیکی دام و طیور بر روی سطوح مورفولوژیکی و نیز سطوح رفتاری (خلق و خو، رفتار مهربانانه دام با دیگر همنوعان یا سرعت پرواز بطور مثال) و نیز فنوتیپهای مربوط به سطوح کیفیت لاشه تمرکز نموده اند Paul et al., 2016) ).

حسگرهایی می توانند بر روی بدن دام ها نصب گردند که شتاب دام، و موقعیت فیریکی و جغرافیایی دام را بطور سمعی و بصری به همراه ابزارهای مانند GPS در هر زمان ثبت و ضبط نمایندBishop-Hurley and Greenwood et al. 2014) )

جمع بندی کلی  و چشم اندازهای آینده

فنومیکس، شاخه ای از زیست شناسی  بوده که در ارتباط با سنجش فنوم می باشد، فنوم (مجموعه ای از صفات شیمیایی و فیزیکی که در یک ارگانیسم رخ می دهد) که در پاسخ به جهش های ژنتیکی و عوامل محیطی تغییر می یابند. فنومیکس امروزه یک شاخه مهم در حال توسعه می باشد که همزمان به سنجش کمی و کیفی فنوم ها می پردازد که این سنجش ها شامل استفاده از سیستم های اندازه گیری در مقیاس پربرونداد می باشد (Lou., 2014) . روش بدست آوردن داده های فنوتیپی با رویکردهای جدید وایجاد پلت فرمهای عملیاتی که دقیق میزان داده های زیادی از گله های بی شماری در سراسر جهان ثبت می نمایند. در نهایت با استفاده از این رویکرد جدید می توان دقت پیش بینی ها را جهت بهبود ژنتیکی گله ها بهبود داد. وراثت پذیری با صحت و دقت بیشتری انجام می شود. مدیریت دام و طیور در مراتع در سطح وسیع راحت تر انجام می گیرد و در نهایت بهره وری در زنجیره تولیدات دامی رخ خواهد داد.

برای اطلاعات بیشتر در این زمینه به مقالات زیر مراجعه کنید:

Marcos Egea-Cortines and John H. Doonan. Editorial: Phenomics. Frontiers in Plant Science. published: 23 May 2018 doi: 10.3389/fpls.2018.00678

Houle, D., Govindaraju, D., and Omholt, S. (2010). Phenomics: the next challenge.

Nat. Rev. Genet. 11, 855–۸۶۶٫ doi: 10.1038/nrg2897

Perez-Sanz, F., Navarro, P. J., and Egea-Cortines, M. (2017). Plant phenomics: an

overview of image acquisition technologies and image data analysis algorithms.

Gigascience 6, 1–۱۸٫ doi: 10.1093/gigascience/gix092

Lou, L., Liu, Y., Han, J., and Doonan, J. H. (2014). Accurate multi-view stereo 3D

reconstruction for cost-effective plant phenotyping. Lect. Notes Comput. Sci.

۸۸۱۵, ۳۴۹–۳۵۶٫ doi: 10.1007/978-3-319-11755-3_39

Paul L. GreenwoodA,B,E, Gregory J. Bishop-HurleyC, Luciano A. GonzálezD

and Aaron B. InghamC. Development and application of a livestock phenomics platform to enhance productivity and efficiency at pasture. Animal Production Science, 2016, 56, 1299–۱۳۱۱

Paul L. GreenwoodA,B,E, Gregory J. Bishop-HurleyC, Luciano A. GonzálezD

and Aaron B. InghamC. Development and application of a livestock phenomics platform to enhance productivity and efficiency at pasture. Animal Production Science, 2016, 56, 1299–۱۳۱۱٫

Laine, Aurélie, Hana Bel Mabrouk, Laura-Monica Dale, Catherine Bastin, and Nicolas Gengler. “How to use mid-infrared spectral information from milk recording system to detect the pregnancy status of dairy cows.” Communication on Applied Biological Science (۲۰۱۴).

 
avatar
3 Comment threads
4 Thread replies
0 Followers
 
Most reacted comment
Hottest comment thread
3 Comment authors
رستم عبداللهیسید رضا موسویSadegh mohamadian Recent comment authors
جدیدترین قدیمی ترین بیشترین رای
Sadegh mohamadian
Sadegh mohamadian

Marvelous , I personally took benefit . But I’ve got a question upon what you have written. Do u think image processing in order to trace the formidable traits for instance rumen papila can be helpful,,???? 🤔

Best regards

Sadegh mohamadian
Sadegh mohamadian

Actually I want to work on this subject as my M.s project

سید رضا موسوی
سید رضا موسوی

بسیار عالی بود. بحث فنومیکس و ویرایش تصویر میتواند در آینده با توجه به کاهش هزینه های برای ثبت رکورد ها و همچنین کاهش هزینه های تعیین ژنوتیپ کمک به سزایی در این زمینه ها داشته باشد . اما به نظر شما این پیشرفت در ارتباط با صفاتی مثل ورم پستان و کتوز و به طور کلی wellness traits
هم اتفاق می افتد ؟؟؟؟؟؟؟؟