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

 صورة: تتطلب الطرق التقليدية لتجديد النباتات استخدام منظمات نمو نباتية، مثل الهرمونات، والتي قد تكون خاصة بأنواع معينة وتتطلب جهدًا كبيرًا. في دراسة جديدة، طوّر العلماء نظامًا جديدًا لتجديد النباتات من خلال تنظيم وظيفة الجينات المسؤولة عن عدم التمايز (تكاثر الخلايا) وإعادة التمايز (تكوين الأعضاء) في الخلايا النباتية. عرض المزيد
تتطلب الطرق التقليدية لتجديد النباتات استخداممنظمات نمو النباتمثلهرمونs، والتي قد تكون خاصة بنوع معين وتتطلب جهدًا مكثفًا. في دراسة جديدة، طوّر العلماء نظامًا جديدًا لتجديد النباتات من خلال تنظيم وظيفة وتعبير الجينات المسؤولة عن عدم التمايز (تكاثر الخلايا) وإعادة التمايز (تكوين الأعضاء) في الخلايا النباتية.
لطالما كانت النباتات المصدر الرئيسي للغذاء للحيوانات والبشر. بالإضافة إلى ذلك، تُستخدم النباتات لاستخلاص العديد من المركبات الدوائية والعلاجية. إلا أن سوء استخدامها والطلب المتزايد عليها يُبرزان الحاجة إلى أساليب جديدة لتربية النباتات. يمكن للتطورات في مجال التكنولوجيا الحيوية النباتية أن تُسهم في حل مشكلة نقص الغذاء في المستقبل من خلال إنتاج نباتات مُعدّلة وراثيًا أكثر إنتاجيةً وتحملًا لتغير المناخ.
بطبيعة الحال، يمكن للنباتات تجديد نباتات جديدة كليًا من خلية واحدة "متعددة القدرات" (خلية يمكنها إنتاج أنواع متعددة من الخلايا) عن طريق إعادة التمايز وإعادة التمايز إلى خلايا ذات تركيبات ووظائف مختلفة. يُستخدم التكييف الاصطناعي لهذه الخلايا متعددة القدرات من خلال زراعة الأنسجة النباتية على نطاق واسع لحماية النباتات، والتكاثر، وإنتاج الأنواع المعدلة وراثيًا، ولأغراض البحث العلمي. تقليديًا، تتطلب زراعة الأنسجة لتجديد النباتات استخدام منظمات نمو النبات (GGRs)، مثل الأوكسينات والسيتوكينينات، للتحكم في تمايز الخلايا. ومع ذلك، يمكن أن تختلف الظروف الهرمونية المثلى اختلافًا كبيرًا تبعًا لنوع النبات، وظروف الزراعة، ونوع الأنسجة. لذلك، قد يكون تهيئة ظروف استكشاف مثالية مهمة تستغرق وقتًا طويلاً وتتطلب جهدًا مكثفًا.
للتغلب على هذه المشكلة، طوّرت الأستاذة المشاركة توموكو إيكاوا، بالتعاون مع الأستاذة المشاركة ماي ف. ميناميكاوا من جامعة تشيبا، والأستاذ هيتوشي ساكاكيبارا من كلية الدراسات العليا للعلوم الزراعية الحيوية بجامعة ناغويا، وميكيكو كوجيما، وهي خبيرة فنية من مركز ريكين للدراسات والبحوث، طريقةً شاملةً للتحكم في النباتات من خلال التنظيم. التعبير عن جينات تمايز الخلايا "المنظم نمويًا" (DR) لتحقيق تجديد النبات. نُشر البحث في المجلد 15 من مجلة Frontiers in Plant Science في 3 أبريل 2024، وقدمت الدكتورة إيكاوا مزيدًا من المعلومات حول عملهم البحثي، قائلةً: "لا يستخدم نظامنا عوامل نمو نباتية خارجية، بل يستخدم جينات عوامل النسخ للتحكم في تمايز الخلايا، على غرار الخلايا متعددة القدرات المُحفَّزة في الثدييات".
قام الباحثون بالتعبير عن جينين DR، هما BABY BOOM (BBM) وWUSCHEL (WUS)، من نبات أرابيدوبسيس ثاليانا (المُستخدم كنموذج)، ودرسوا تأثيرهما على تمايز زراعة أنسجة التبغ والخس والبتونيا. يُشفّر BBM عامل نسخ يُنظّم النمو الجنيني، بينما يُشفّر WUS عامل نسخ يُحافظ على هوية الخلايا الجذعية في منطقة النسيج الإنشائي القمي للبراعم.
أظهرت تجاربهم أن التعبير عن جين BBM أو WUS في نبات أرابيدوبسيس وحده لا يكفي لتحفيز تمايز الخلايا في أنسجة أوراق التبغ. في المقابل، يُحفز التعبير المشترك عن BBM المُعزز وظيفيًا وWUS المُعدل وظيفيًا نمطًا ظاهريًا مُسرّعًا للتمايز الذاتي. بدون استخدام تفاعل البوليميراز المتسلسل (PCR)، تمايزت خلايا الأوراق المُعدّلة وراثيًا إلى كالوس (كتلة خلوية غير مُنظمة)، وهياكل خضراء شبيهة بالأعضاء، وبراعم عرضية. أظهر تحليل تفاعل البوليميراز المتسلسل الكمي (qPCR)، وهو طريقة تُستخدم لتحديد نُسخ الجينات، أن التعبير عن BBM وWUS في نبات أرابيدوبسيس ارتبط بتكوين كالوس وبراعم مُعدّلة وراثيًا.
نظراً للدور المحوري للهرمونات النباتية في انقسام الخلايا وتمايزها، قام الباحثون بقياس مستويات ستة هرمونات نباتية، وهي: الأوكسين، والسيتوكينين، وحمض الأبسيسيك (ABA)، والجبرلين (GA)، وحمض الجاسمونيك (JA)، وحمض الساليسيليك (SA)، ومستقلباتها، في المحاصيل النباتية المعدلة وراثياً. أظهرت نتائجهم أن مستويات الأوكسين النشط، والسيتوكينين، وحمض الأبسيسيك، وحمض الجاسمونيك الخامل تزداد مع تمايز الخلايا وتكوينها أعضاءً، مما يُبرز دورها في تمايز الخلايا النباتية وتكوين الأعضاء.
بالإضافة إلى ذلك، استخدم الباحثون ترانسكربتومات تسلسل الحمض النووي الريبي، وهي طريقة للتحليل النوعي والكمي للتعبير الجيني، لتقييم أنماط التعبير الجيني في الخلايا المعدلة وراثيًا التي تُظهر تمايزًا نشطًا. أظهرت نتائجهم أن الجينات المرتبطة بتكاثر الخلايا والأوكسين غنية بجينات ذات تنظيم تفاضلي. وكشفت فحوصات إضافية باستخدام تفاعل البوليميراز المتسلسل الكمي (qPCR) أن الخلايا المعدلة وراثيًا قد زادت أو انخفضت في التعبير عن أربعة جينات، بما في ذلك الجينات التي تنظم تمايز الخلايا النباتية، والأيض، وتكوين الأعضاء، واستجابة الأوكسين.
بشكل عام، تكشف هذه النتائج عن نهج جديد ومتعدد الاستخدامات لتجديد النباتات لا يتطلب تطبيقًا خارجيًا لتفاعل البوليميراز المتسلسل. إضافةً إلى ذلك، قد يُحسّن النظام المستخدم في هذه الدراسة فهمنا للعمليات الأساسية لتمايز خلايا النبات، ويُحسّن الاختيار التكنولوجي الحيوي للأنواع النباتية المفيدة.
وفي معرض تسليطه الضوء على التطبيقات المحتملة لعمله، قال الدكتور إيكاوا: "يمكن للنظام المُعلن عنه أن يُحسّن تربية النباتات من خلال توفير أداة لتحفيز التمايز الخلوي للخلايا النباتية المُعدّلة وراثيًا دون الحاجة إلى تفاعل البوليميراز المتسلسل. ولذلك، قبل قبول النباتات المُعدّلة وراثيًا كمنتجات، سيُسرّع المجتمع تربية النباتات ويُخفّض تكاليف الإنتاج المُصاحبة لها".
نبذة عن الأستاذة المشاركة توموكو إيغاوا: الدكتورة توموكو إيغاوا أستاذة مساعدة في كلية الدراسات العليا للبستنة، ومركز علوم النبات الجزيئية، ومركز أبحاث الزراعة الفضائية والبستنة، بجامعة تشيبا، اليابان. تشمل اهتماماتها البحثية التكاثر الجنسي للنباتات وتطورها، والتكنولوجيا الحيوية النباتية. يركز عملها على فهم الآليات الجزيئية للتكاثر الجنسي وتمايز خلايا النبات باستخدام أنظمة مُعدّلة وراثيًا مختلفة. لها العديد من المنشورات في هذه المجالات، وهي عضو في الجمعية اليابانية للتكنولوجيا الحيوية النباتية، والجمعية النباتية اليابانية، والجمعية اليابانية لتربية النباتات، والجمعية اليابانية لعلماء وظائف الأعضاء النباتية، والجمعية الدولية لدراسة التكاثر الجنسي للنباتات.
التمايز الذاتي للخلايا المعدلة وراثيًا دون استخدام خارجي للهرمونات: التعبير عن الجينات الذاتية وسلوك الهرمونات النباتية
يصرح المؤلفون بأن البحث أجري في غياب أي علاقات تجارية أو مالية يمكن تفسيرها على أنها تضارب محتمل في المصالح.
إخلاء المسؤولية: لا تتحمل AAAS وEurekAlert مسؤولية دقة البيانات الصحفية المنشورة على EurekAlert! أي استخدام للمعلومات من قِبل الجهة المُقدمة لها أو من خلال نظام EurekAlert.