اکنون بیش از سه دهه است که هیچ علف کشی با نحوه عمل جدید به بازار معرفی نشده است. قبل از این، تقریباً به صورت متوسط هر سه سال یک بار، یک نحوه عمل جدید به بازار معرفی شده بود که نتیجه آن وجود 20 نحوه عمل متفاوت امروزی برای علف کش ها در بازار بوده است (جدول یک).
از سال 1980 تا 2009 میلادی، تعداد 137 ماده مؤثر جدید علف کش به بازار معرفی شده است که تمام آنها از نحوه عمل مشابهی با علف کش هایی که پیش از سال 1990 به بازار معرفی شده بودند، برخوردار هستند (4).
حال سؤالی که مطرح میشود این است که چرا معرفی علف کش هایی با نحوه عمل جدید تا این اندازه با چالش روبرو شده است و چه چشم اندازی برای معرفی آنها در آینده وجود دارد؟ برای پاسخ به این سؤالات در ادامه خلاصه ای از مقالهای با عنوان “چرا در سالهای اخیر هیچ نحوه عمل جدیدی (Mode of action) برای علف کش ها معرفی نشده است؟” (Why have no new herbicide modes of action appeared in recent years) که در مجله “Pest management science” به چاپ رسیده، ارایه شده است.
چرا نیاز به علف کش هایی با نحوه عمل جدید حس میشود؟
به فاصله کوتاهی از زمان معرفی اولین علف کش های سنتز شده در اواسط قرن 20 میلادی، مقاومت در علف های هرز نسبت به علف کش ها شروع شد. این فاصله زمانی بسته به نحوه عمل علف کش میتواند متفاوت باشد، به نحوی که از سه الی چهار سال (برای مثال در مورد بازدارندگان آنزیم استولاکتات سینتاز) تا چند دهه (برای مثال گلایفوسیت) گزارش شده است.
اگرچه فاصله زمانی میان معرفی علف کش جدید تا بروز مقاومت، تابعی از چندین عامل مختلف شامل گونه علف هرز، فشار گزینشی، تنوع ژنتیکی موجود و ماهیت محل هدف می باشد، غالباً سازوکار بروز مقاومت، تغییر در محل هدف (altered target site) است، در نتیجه یک علف کش با نحوه عمل جدید میتواند علف های هرز مقاوم را نیز کنترل کند. به همین دلیل بود که تا پیش از دهه 90 میلادی، زمانی که منشأ بروز مقاومت تغییر محل هدف بود، حتی در مورد مقاومت چندگانه (multiple resistance)، با توجه به وجود تنوع کافی در علف کش ها، غلبه بر این مشکل چندان دشوار نبود. در مقابل، امروزه موارد متعددی از گزارش بروز مقاومت چندگانه در علف های هرز و همچنین مزارعی با آلودگی به بیوتیپهای مختلف علف های هرز مقاوم به علف کش ها وجود دارد.
محصولات تراریخته مقاوم به علف کش اوضاع را دشوارتر نیز کرده اند. دقیقاً در همان سالی که محصول سویا مقاوم به این علف کش به بازار معرفی شد، اولین مورد مقاومت به گلایفوسیت نیز مشاهده شد. پس از آن سطح بسیار قابل توجهی از کشت محصولاتی مانند ذرت، پنبه، یونجه و چغندرقند به محصولات تراریخته مقاوم به گلایفوسیت اختصاص داده شد و کشاورزانی که این محصولات را مورد کشت و کار قرار دادند، از گلایفوسیت به عنوان تنها گزینه کنترل علف های هرز از سالی به سالی دیگر استفاده کردند. در نتیجه فشار گزینشی در جهت بروز مقاومت نسبت به گلایفوسیت به شدت افزایش یافت.
اکنون مزارعی در آمریکا وجود دارند که در آنها علف های هرزی مانند Amaranthus tuberculatus نه تنها نسبت به گلایفوسیت مقاوم شده اند، بلکه نسبت به خانواده های دیگری مانند بازدارندگان آنزیم استولاکتات سینتاز و بازدارندگان آنزیم پروتوپرفیرینوژن اکسیداز چنین سطحی از وقوع مقاومت چندگانه، دست کشاورزان را برای مدیریت اقتصادی و کارآمد علف های هرز عملاً خالی کرده است. به علاوه برخی از جمعیتهای علف های هرز نسبت به علف کش های خانواده هیدروکسیفنیل پیروات دیاکسیژناز (HPPD inhibitors) که آخرین نحوه عمل کشف شده برای علف کش ها هستند نیز مقاوم شده اند که این موضوع چالش مدیریت علف های هرز مقاوم را دوچندان میکند.
با توجه به واقعیات مطرح شده، نیاز جدی در رابطه با کشف و معرفی ترکیبات جدید علف کش و یا توسعه پارادایم های مدیریتی (management paradigm) نوین حس میشود. مادامی که کارایی علف کش ها به دلیل توسعه بیوتیپ های مقاوم علف های هرز کاهش مییابد، نیاز به علف کش هایی با نحوه عمل متفاوت از قبل، از همیشه اجتناب ناپذیرتر بوده است.
به علاوه، برخی از علف کش های قدیمی و مؤثر بنا به دلایلی مانند عوامل نظارتی از بازار حذف شده و یا در حال حذف شدن هستند (مانند حذف پاراکوات در برخی کشورهای اروپایی و زمزمه های حذف آن در ایران) که این مهم نیز در کاهش گزینه های شیمیایی مدیریت علف های هرز سهم به سزایی دارد.
اقتصاد در حال تغییر کشف علف کش ها
عدم معرفی علف کش هایی با نحوه عمل جدید طی چند دهه گذشته سه دلیل مهم اقتصادی داشته است. دلیل اول معرفی محصولات تراریخته مقاوم به گلایفوسیت بوده است. در این شرایط، کشاورزان به جای استفاده از علف کش های متنوع با نحوه عمل مختلف، به استفاده از گلایفوسیت به عنوان تنها گزینه روی آورده اند. بذرهای تراریخته گرانتر از بذرهای معمولی هستند و در این حالت بخشی از هزینه مدیریت علف های هرز، در تکنولوژی مربوط به ایجاد گیاهان تراریخته منتقل شده است، اما به هر حال هزینه مدیریت شیمیایی علف های هرز در این سیستمها کمتر از سیستمهای معمول مدیریت علف های هرز است. به ویژه پس از آن که پتنت (Patent) علف کش گلایفوسیت به پایان رسید و انواع ژنریک (generic) آن در بازار به قیمت خیلی کمتری عرضه شد، این هزینه بیشتر از قبل نیز کاهش یافت.
قبل از آن که شاهد ظهور گسترده بیوتیپ های علف های هرز مقاوم به گلایفوسیت باشیم، شرکتهای فعال در زمینه کشف و معرفی آفت کش های جدید دلایل محکمی داشتند که مقاومت به گلایفوسیت به ندرت اتفاق خواهد افتاد و چنانچه حتی اتفاق بیفتد، این بیوتیپ ها با به کار بردن مقادیر بیشتری از همین علف کش کنترل خواهند شد. در نتیجه به عقیده آنها گیاهان مقاوم به گلایفوسیت برای مدتی طولانی در بازار با موفقیت حضور خواهند داشت. به همین دلیل، این شرکتها توجه به معرفی علف کش جدید را کمتر کرده و عمده تلاش خود را روی معرفی حشره کش ها و قارچ کش های جدید متمرکز کردند. پنج سال پس از معرفی سویای مقاوم به گلایفوسیت، تعداد علف کش های تحت پتنت به شدت کاهش یافت که همراه با کاهش قابل ملاحظه ای در تعداد مولکلولهای جدید علف کشی بود (شکل یک).
دلیل اقتصادی مهم دیگر که در رابطه با کاهش تعداد علف کش های جدید مطرح شده است، کاهش تعداد شرکتهای فعال در این زمینه طی سالیان گذشته بوده است. شکل دو این موضوع را به خوبی نشان میدهد. فرهنگها و فلسفه های متفاوت موجود میان شرکتهای مختلف، کشورهای مختلفی که این شرکتها در آنها فعال بودند و تفاوتهای فرهنگی میان مناطق مختلف حتی درون یک شرکت، منجر به به حداکثر رسیدن نوآوری میشد. مشارکت چنین تنوعی در موضوع کشف علف کش جدید چیزی نیست که بشود به راحتی تأثیر آن را کمی سازی کرد.
دلیل آخر در رابطه با چالش برای یافتن علف کش های جدید افزایش قابل ملاحظه هزینه های کشف و دشواری در رابطه با برآورده کردن ملزومات قانونی ثبت علف کش جدید بوده است. هزینه اضافه کردن یک آفتکش جدید به بازار از 184 میلیون دلار در سال 2000 به 246 میلیون دلار در سال 2008 افزایش یافته است. دلیل عمده این مسأله لزوم ارزیابی تعداد بیشتری از ترکیبات نسبت به گذشته برای رسیدن به یک گزینه مطلوب است. به علاوه پس از آن که یک آفتکش جدید کشف شد، موانع سم شناسی و زیست محیطی که باید با موفقیت پشت سر بگذراند نسبت به گذشته بیشتر و دشوارتر شده است که نتیجه آن افزایش هزینه ها است.
این عامل باعث ادغام شرکتها در یکدیگر شده است و همچنین آنها را تشویق به یافتن ترکیباتی شبیه به ترکیبات قبلی میکند که طبق پیش بینی باید آثار و مخاطرات سم شناسی و زیست محیطی مشابه موارد قبلی داشته باشند و نه اینکه به دنبال ترکیبات کاملاً جدید با نحوه عمل متفاوت بروند.
چه چیزی یک جایگاه هدف (Target site) خوب برای علف کش را ایجاد می کند؟
اول از همه میتوان گفت که یک هدف مناسب برای علف کش در گیاه باید چیزی باشد که گیاه برای زنده ماندن به آن نیاز مبرم دارد. جالب توجه است که بر طبق یک معیار قدیمی معرفی شده برای حدس اینکه آیا یک ترکیب میتواند بالقوه علف کش خوبی باشد، ایده آل ترین علف کش ممکن یعنی گلایفوسیت، با آن دسته از پارامترهای شیمیایی معرفی شده منطبق نیست! این مسأله نشان میدهد که پیش بینی اینکه چه ترکیبی و با چه نحوه عملی میتواند به عنوان یک علف کش خوب مطرح شود تا چه اندازه دشوار است.
بدیهی است که به صورت بالقوه تعداد بسیار قابل ملاحظهای نحوه عمل برای یک علف کش ، غیر از آن دسته که امروز شناخته شده و استفاده میشود، وجود دارد. مقالاتی وجود دارد که در آنها به تعدا زیادی فایتوتوکسینهای طبیعی (natural phytotoxins) با خاصیت علف کشی اشاره شده است. حتی، تعداد کمی از این ترکیبات به اندازه علف کش های تجاری شده کارایی دارند. اما نگرانی مهم در رابطه با آنها مسمویت زیاد روی پستانداران است.
متأسفانه بسیاری از این ترکیبات به لحاظ ساختاری پیچیده تر از آن هستند که به صورت آزمایشگاهی سنتز شوند و یا از خصوصیات مناسب فیزیکوشیمیایی مؤثر در جذب و انتقال مناسب و یا ثبات محیطی (environmental stability) بی بهره هستند.
یک معیار این خواهد بود که محل هدف با فراوانی نسبتاً زیادی در سلولهای گیاهی وجود نداشته باشد. برای مثال ممکن است این گونه به نظر بیاید که آنزیمهای دخیل در واکنشهای مستقل از نور فتوسنتز میتوانند به عنوان گزینه مناسبی برای بازداری مطرح باشند، اما چنین آنزیمهایی به منظور تثبیت مقادیر زیادی از کربن برای گیاه، به وفور در سلول حضور دارند. برای مثال، آنزیم روبیسکو (ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase oxygenase) فراوانترین پروتئین در سلولهای سبز گیاهان است. برای بازداری از این آنزیم، حتی به مقداری جزئی، نیاز به کاربرد چندین کیلوگرم از ماده مؤثر علف کش در هکتار خواهد بود.
تا به امروز چندین ترکیب بازدارنده سنتز آنزیمهای دخیل در تولید آمینواسیدهای شاخه دار یافت شده اند، اما فقط بازدارندگان آنزیم استولاکتات سینتاز تجاری شده اند. دلیل این مسأله وجود این آنزیم با مقادیر کم داخل سلولها است. همچنین، بدون بازگشت بودن مسیر غیرفعال شدن این آنزیم به وسیله علف کش های بازدارنده آن دلیل دیگر موفق عمل کردن آنها است. اما هنوز 80-60 درصد بازدارندگی برای از بین رفتن گیاه هدف ضروری خواهد بود.
بهترین علف کش های بازدارنده آنزیم استولاکتات سینتاز فقط با کاربرد مقادیری کمتر از یک گرم در هکتار از ماده مؤثر کارایی دارند.
محبوبترین علف کش ها آن دسته هستند که نیاز به کاربرد مقادیر کمتری برای از بین بردن گیاه دارند و محل هدف تأثیر زیادی بر میزان مصرف علف کش برای رسیدن به این مهم دارد. اگرچه، چنانچه علف کشی ایمن، کارآمد و مقرون به صرفه باشد، مقدار مصرف در هکتار چندان مهم نخواهد بود.
برای مثال، مقدار مصرف گلایفوسیت در واحد سطح نسبتاً بالا است اما احتمالاً همچنان بهترین علف کش کشف شده تا به امروز است. اگرچه، زمانی که تعداد مولکولهای EPSPS در گیاه به دلیل تقویت ژنی (gene amplification) افزایش یابد، مقادیری از گلایفوسیت که برای مؤثر واقع شدن در سطح مزرعه مورد نیاز است به قدری زیاد خواهد شد که کاربرد آن منطقی نخواهد بود.
یک ویژگی مناسب برای یک محل هدف این است که حتی بازداری از مقادیر کمی از آن آنزیم نیز برای گیاه کشنده خواهد بود. علف کش های خانواده بازدارندگان آنزیم پروتوپرفیرینوژن اکسیداز (PPO) از این ویژگی برخوردار هستند. بازداری از آنزیم PPO به وسیله این دسته از علف کش ها منجر به تولید یک سوبسترا (substrate) میشود که به بخشهایی از سلول منتقل شده و به ترکیبی به نام پروپرفیرین IX (ProtoIX) تبدیل میشود. ProtoIX در حضور نور و اکسیژن مولکلولی بسیار سمی بوده و منجر به مرگ سریع سلول میشود.
این مسأله به وسیله چندین محقق خاطر نشان شده است که دلیل عدم کشف علف کش هایی با نحوه عمل جدید، عدم یافتن ترکیبات بازدارنده آنزیم های حیاتی برای رشد و نمو گیاه بوده است، بلکه عمدتاً به دلیل دشواری در یافتن محلهای هدف حساس و کشنده بوده است. بهترین علف کش ها آن دسته هستند که به محلهای هدفی منتقل میشوند که برای فعالیت بافتهای مریستمی ضروری هستند.
بنابراین ترکیباتی که در شرایط آزمایشگاهی مهار کننده خوبی برای این نقاط هستند اما در عمل اصلاً و یا به خوبی به قسمتهای مدنظر منتقل نمیشوند، علف کش های خوبی نیستند.
رهیافتهای کنونی برای کشف علف کش
روش قدیمی و سنتی کشف نحوه عمل یک علف کش به این صورت بوده است که ابتدا یک ترکیب با خواص علف کشی و گیاه سوزی کشف و سپس با روشهای فیزیولوژیکی و بیوشیمیایی نحوه عمل آن مشخص میشده است. به همین دلیل در مورد اغلب علف کش های کشف شده قبل از دهه 80 میلادی، تا قبل از ورود آنها به بازار نحوه عمل مشخص نبوده و سپس توسط دانشمندان و محققان بخش دولتی کشف شده است. نحوه عمل برخی از علف کش های قدیمی، به خصوص آن دسته که سهم بازار کوچکتری داشته اند، هنوز نیز مشخص نیست.
رهیافت دیگر به کار گرفته شده برای کشف علف کش های جدید انتخاب یک محل هدف مولکولی جدید بدون اطلاع از اینکه آیا علف کشی میتواند از آن بازداری کند و سپس ارزیابی ترکیبات مؤثر در بازداری از آن در شرایط آزمایشگاهی بوده است. این رهیافت از کتابخانه های بزرگ ترکیبات شیمیایی برای مفیدتر واقع شدن کمک گرفته است. در زمان شروع این استراتژی برای کشف ترکیبات جدید، اغلب شرکتهای به کارگیرنده آن از تجارب موفق شرکتهای داروسازی استفاده کردند.
اخیراً از تکنیکهای مبتنی بر اُمیکس (omics) برای تعیین نحوه عمل ترکیبات جدید با خاصیت علف کشی استفاده شده است. با استفاده از این استراتژی، ابتدا کتابخانه ای از پروفایلهای پاسخ به ترکیبات (response profiles to compounds) که شامل هم ترکیبات تجاری سازی شده و هم آزمایشی میباشد و نحوه عمل آنها مشابه میباشد، ایجاد می شود.
سپس پروفایل پاسخ برای ترکیبی که خاصیت علف کشی دارد اما نحوه عمل آن مشخص نیست تولید شده و با آن دسته که هم اکنون نحوه عمل آنها مشخص شده است مقایسه میشود. اگر ترکیب جدید با پروفایل هیچ کدام از ترکیبات موجود در کتابخانه مطابقت نداشته باشد، میتوان فرض کرد که احتمالاً نحوه عمل آن جدید بوده و به این صورت با این تکنیک سرنخ هایی برای کشف این موضوع به دست میآید.
برای گذر از پایه ای و اساسی ترین پاسخها به سمت پاسخهای فنوتیپی (phenotypic)، رهیافتهای مبتنی بر اُمیک شامل ترنسکریپتومیکس (transcriptomics)، پروتئومیکس (proteomics)، متابولومیکس (metabolomics)، فیزیونومیکس (physionomics) و فنومیکس (phenomics) میشود.
جدول دو مطالعات انجام شده در زمینه تعیین محل هدف چند ترکیب با خاصیت علف کشی را نشان میدهد.
یک رهیافت دیگری که در سالهای اخیر برای معرفی علف کش جدید مورد توجه قرار گرفته است مبتنی بر دستکاری بیان ژن (gene expression manipulation) از طریق بیان بیش از حد (overexpression) و یا کاهش یا از بین بردن کامل بیان آن از طریق تکنیکهای خاموشی بیان ژن (gene silencing methods) بوده است.
علیرغم تلاشهای صورت گرفته و معرفی چندین محل هدف بالقوه ممکن برای خاموشی بیان ژن، تا به امروز هیچ علف کشی با تکیه بر این رهیافت تولید نشده است. احتمالاً اتخاذ هم زمان چندین رهیافت برای کشف علف کش هایی با نحوه عمل جدید سودمندتر از به کارگیری فقط یک روش باشد.
تحولات آینده و نتیجه گیری
با توجه به افزایش روزافزون موارد مقاومت علف های هرز نسبت به علف کش گلایفوسیت، شرکتهای دخیل در کشف و معرفی علف کش مجبور به سرمایه گذاری بیشتر برای رسیدن به این هدف شده اند. این تجدید علاقه هنوز منجر به افزایش معنی داری در تعداد علف کش های دارای پتنت نشده است. توقع میرود در آینده نزدیک محصولاتی وارد بازار شوند که نسبت به بیش از یک علف کش مقاوم شده باشند (جدول 3).
اگرچه در هر موردی این گیاهان نسبت به هر علف کشی که مقاوم شده باشند، مواردی از بروز مقاومت در علف های هرز نسبت به آن نحوه عمل وجود دارد. اگر این گیاهان به درستی استفاده شوند، میتوانند ابزار جدیدی برای کشاورزان برای پیشگیری یا کاهش پیدایش پدیده مقاومت باشند. اما چنانچه گذشته را چراغی برای دیدن آینده در نظر بگیریم، فرض اینکه کشاورزان از این ابزار به عنوان صرفاً بخشی از یک برنامه دقیق و هوشمند مدیریت بروز مقاومت استفاده خواهند کرد، بسیار خوشبینانه خواهد بود.
در مکانهایی که بروز مقاومت چندگانه نسبت به چندین نحوه عمل متفاوت اتفاق افتاده است، استفاده از این گیاهان تراریخته جدید سؤال برانگیز خواهد بود.
در نتیجه بهترین راهکار برای مقابله با علف های هرز مقاوم و کاهش پدیده بروز مقاومت یافتن علف کش هایی با نحوه عمل جدید خواهد بود. اگرچه هیچ موعد زمانی مشخصی برای معرفی علف کش هایی با نحوه عمل جدید وجود ندارد، با در نظر گرفتن نیاز به آنها و در نتیجه مسائل اقتصادی، شک کمی در رابطه با معرفی آنها در آینده وجود خواهد داشت.
تصور اینکه حل مشکلات مدیریت علف های هرز، صرفاً با معرفی و در اختیار قرار دادن گزینه های علف کشی متعدد به کشاورزان و عدم حفاظت از کارایی این ترکیبات در بلند مدت توسط آنها، ساده اندیشی خواهد بود. تنها زمانی که علف کش ها به عنوان بخشی از مجموعه متنوعی از ابزارهای مدیریت علف های هرز استفاده شوند، میتوان به جلوگیری یا کاهش پدیده بروز مقاومت در علف های هرز امیدوار بود.
منابع
