يعمل الباحثون على تطوير طريقة جديدة لتجديد النباتات من خلال تنظيم التعبير عن الجينات التي تتحكم في تمايز خلايا النبات.

 صورة: تتطلب الطرق التقليدية لتجديد النباتات استخدام منظمات نمو نباتية مثل الهرمونات، والتي قد تكون خاصة بأنواع معينة وتتطلب جهدًا كبيرًا. في دراسة حديثة، طور العلماء نظامًا جديدًا لتجديد النباتات من خلال تنظيم وظيفة وتعبير الجينات المشاركة في عملية فقدان التمايز (تكاثر الخلايا) وإعادة التمايز (تكوين الأعضاء) للخلايا النباتية. عرض المزيد
تتطلب الطرق التقليدية لتجديد النباتات استخداممنظمات نمو النباتمثلهرمونوالتي قد تكون خاصة بأنواع معينة وتتطلب جهداً كبيراً. في دراسة جديدة، طور العلماء نظاماً جديداً لتجديد النباتات من خلال تنظيم وظيفة وتعبير الجينات المشاركة في عملية إزالة التمايز (تكاثر الخلايا) وإعادة التمايز (تكوين الأعضاء) للخلايا النباتية.
لطالما شكلت النباتات المصدر الرئيسي للغذاء للحيوانات والبشر على مر السنين. إضافةً إلى ذلك، تُستخدم النباتات لاستخلاص العديد من المركبات الصيدلانية والعلاجية. ومع ذلك، فإن سوء استخدامها وتزايد الطلب على الغذاء يُبرزان الحاجة إلى أساليب جديدة في تربية النباتات. ويمكن للتقدم في مجال التقنية الحيوية النباتية أن يساهم في حل مشكلة نقص الغذاء في المستقبل من خلال إنتاج نباتات معدلة وراثيًا تتميز بإنتاجية أعلى وقدرة أكبر على التكيف مع تغير المناخ.
بطبيعة الحال، تستطيع النباتات تجديد نفسها بالكامل من خلية واحدة "كاملة القدرة" (خلية قادرة على التمايز إلى أنواع متعددة من الخلايا) عن طريق فقدان التمايز وإعادة التمايز إلى خلايا ذات بنى ووظائف مختلفة. ويُستخدم التكييف الاصطناعي لهذه الخلايا كاملة القدرة من خلال زراعة الأنسجة النباتية على نطاق واسع لحماية النباتات، وتربيتها، وإنتاج الأنواع المعدلة وراثيًا، ولأغراض البحث العلمي. تقليديًا، تتطلب زراعة الأنسجة لتجديد النباتات استخدام منظمات نمو نباتية، مثل الأوكسينات والسيتوكينينات، للتحكم في تمايز الخلايا. ومع ذلك، قد تختلف الظروف الهرمونية المثلى اختلافًا كبيرًا تبعًا لنوع النبات، وظروف الزراعة، ونوع النسيج. لذلك، قد يكون توفير ظروف مثالية للاستكشاف مهمة تستغرق وقتًا وجهدًا كبيرين.
للتغلب على هذه المشكلة، طوّرت الأستاذة المشاركة توموكو إيكاوا، بالتعاون مع الأستاذة المشاركة ماي ف. ميناميكاوا من جامعة تشيبا، والبروفيسور هيتوشي ساكاكيبارا من كلية الدراسات العليا للعلوم الزراعية الحيوية بجامعة ناغويا، والفنية الخبيرة ميكيكو كوجيما من مركز أبحاث ريكين للعلوم والبحوث النباتية، طريقةً شاملةً للتحكم في النباتات من خلال تنظيم التعبير عن جينات تمايز الخلايا "المنظمة نمائيًا" (DR) لتحقيق تجديد النبات. وفي العدد 15 من مجلة "فرونتيرز إن بلانت ساينس" بتاريخ 3 أبريل 2024، قدّمت الدكتورة إيكاوا مزيدًا من المعلومات حول بحثهم، موضحةً: "لا يستخدم نظامنا منظمات نمو نباتية خارجية، بل يستخدم جينات عوامل النسخ للتحكم في تمايز الخلايا، على غرار الخلايا الجذعية متعددة القدرات المستحثة في الثدييات".
قام الباحثون بالتعبير غير الطبيعي عن جينين من جينات مقاومة الموت، وهما BABY BOOM (BBM) وWUSCHEL (WUS)، من نبات رشاد أذن الفأر (Arabidopsis thaliana) (المستخدم كنبات نموذجي)، ودرسوا تأثيرهما على تمايز أنسجة التبغ والخس والبيتونيا في مزارع الأنسجة. يشفر الجين BBM عامل نسخ ينظم التطور الجنيني، بينما يشفر الجين WUS عامل نسخ يحافظ على هوية الخلايا الجذعية في منطقة المرستيم القمي للساق.
أظهرت تجاربهم أن التعبير عن جيني BBM أو WUS في نبات الرشاد وحده لا يكفي لتحفيز تمايز الخلايا في أنسجة أوراق التبغ. في المقابل، يؤدي التعبير المشترك عن BBM المُحسَّن وظيفيًا وWUS المُعدَّل وظيفيًا إلى تسريع نمط التمايز الذاتي. وبدون استخدام تفاعل البوليميراز المتسلسل (PCR)، تمايزت خلايا الأوراق المُعدَّلة وراثيًا إلى نسيج الكالس (كتلة خلوية غير منتظمة)، وبنى خضراء شبيهة بالأعضاء، وبراعم عرضية. وأظهر تحليل تفاعل البوليميراز المتسلسل الكمي (qPCR)، وهو أسلوب يُستخدم لتحديد كمية نسخ الجينات، أن التعبير عن جيني BBM وWUS في نبات الرشاد يرتبط بتكوين نسيج الكالس والبراعم المُعدَّلة وراثيًا.
نظراً للدور المحوري للهرمونات النباتية في انقسام الخلايا وتمايزها، قام الباحثون بقياس مستويات ستة هرمونات نباتية، هي الأوكسين، والسيتوكينين، وحمض الأبسيسيك (ABA)، والجبريلين (GA)، وحمض الجاسمونيك (JA)، وحمض الساليسيليك (SA)، بالإضافة إلى نواتجها الأيضية، في محاصيل نباتية معدلة وراثياً. وأظهرت نتائجهم أن مستويات الأوكسين النشط، والسيتوكينين، وحمض الأبسيسيك، والجبريلين غير النشط، تزداد مع تمايز الخلايا إلى أعضاء، مما يُبرز دورها في تمايز الخلايا النباتية وتكوين الأعضاء.
بالإضافة إلى ذلك، استخدم الباحثون تقنية تسلسل الحمض النووي الريبوزي (RNA-seq) لتحليل التعبير الجيني نوعيًا وكميًا، لتقييم أنماط التعبير الجيني في الخلايا المعدلة وراثيًا التي تُظهر تمايزًا نشطًا. وأظهرت نتائجهم أن الجينات المرتبطة بتكاثر الخلايا والأوكسين كانت مُثرية ضمن الجينات المُنظمة تفاضليًا. وكشف فحص إضافي باستخدام تفاعل البوليميراز المتسلسل الكمي (qPCR) أن الخلايا المعدلة وراثيًا أظهرت زيادة أو نقصانًا في التعبير عن أربعة جينات، بما في ذلك الجينات التي تُنظم تمايز الخلايا النباتية، والتمثيل الغذائي، وتكوين الأعضاء، والاستجابة للأوكسين.
بشكل عام، تكشف هذه النتائج عن نهج جديد ومتعدد الاستخدامات لتجديد النباتات لا يتطلب تطبيق تفاعل البوليميراز المتسلسل (PCR) خارجيًا. إضافةً إلى ذلك، قد يُسهم النظام المستخدم في هذه الدراسة في تحسين فهمنا للعمليات الأساسية لتخصص خلايا النبات، وفي تحسين الانتقاء البيوتكنولوجي لأنواع النباتات المفيدة.
وأشار الدكتور إيكاوا، مُسلطًا الضوء على التطبيقات المحتملة لعمله، إلى أن "النظام المذكور يُمكن أن يُحسّن من تربية النباتات من خلال توفير أداة لتحفيز التمايز الخلوي للخلايا النباتية المُعدّلة وراثيًا دون الحاجة إلى تفاعل البوليميراز المتسلسل (PCR). ولذلك، قبل أن تُقبل النباتات المُعدّلة وراثيًا كمنتجات، سيُسرّع المجتمع من وتيرة تربية النباتات ويُقلّل من تكاليف الإنتاج المرتبطة بها".
نبذة عن الأستاذة المشاركة توموكو إيغاوا: الدكتورة توموكو إيغاوا أستاذة مساعدة في كلية الدراسات العليا للبستنة، ومركز علوم النبات الجزيئية، ومركز أبحاث الزراعة والبستنة الفضائية، بجامعة تشيبا، اليابان. تشمل اهتماماتها البحثية التكاثر الجنسي للنباتات ونموها، بالإضافة إلى التقنية الحيوية النباتية. يركز عملها على فهم الآليات الجزيئية للتكاثر الجنسي وتمايز خلايا النبات باستخدام أنظمة معدلة وراثيًا متنوعة. لها العديد من المنشورات في هذه المجالات، وهي عضو في الجمعية اليابانية للتقنية الحيوية النباتية، والجمعية النباتية اليابانية، والجمعية اليابانية لتربية النبات، والجمعية اليابانية لفسيولوجيا النبات، والجمعية الدولية لدراسة التكاثر الجنسي للنباتات.
التمايز الذاتي للخلايا المعدلة وراثيًا دون استخدام هرمونات خارجية: التعبير عن الجينات الداخلية وسلوك الهرمونات النباتية
يصرح المؤلفون بأن البحث قد تم إجراؤه في غياب أي علاقات تجارية أو مالية يمكن اعتبارها تضاربًا محتملاً في المصالح.
إخلاء المسؤولية: لا تتحمل الجمعية الأمريكية لتقدم العلوم (AAAS) وموقع يوريك أليرت مسؤولية دقة البيانات الصحفية المنشورة على موقع يوريك أليرت! أي استخدام للمعلومات من قبل المنظمة التي تقدم المعلومات أو من خلال نظام يوريك أليرت.