باحثون هنود يفكون شفرة آلية الرفض الذاتي في الخردل لتمهيد إنتاج هجن بذور زيتية عالية الغلة

كشف فريق بحثي من المعهد الهندي للتكنولوجيا في غانديناغار (IITGN) عن البنية الجينية للآلية التي تتحكم في «الرفض الذاتي» الطبيعي لحبوب اللقاح في صنفَين من محاصيل البذور الزيتية الهندية واسعة الانتشار، وهما صنفا الخردل «توريا» و«السارسون الأصفر» من نوع Brassica rapa. ونُشر العمل، الذي أُنجز بالتعاون مع مجلس البحوث الزراعية الهندي – مديرية بحوث السلجم والخردل في بارات بور، مؤخراً في مجلة Frontiers in Plant Science.

يأتي هذا البحث في توقيت بالغ الأهمية بالنسبة إلى الهند، إذ استوردت البلاد أكثر من نصف احتياجاتها من الزيوت الصالحة للأكل خلال عام 2023-2024، حيث غطّت الواردات نحو 56% من الطلب المحلي. وفي ظل سعي الحكومة إلى تحقيق الاكتفاء الذاتي، تقدّم هذه النتائج مربّي النباتات والمزارعين أساساً جزيئياً جديداً لإنتاج هجن خردل عالية الإنتاجية على نطاق تجاري.

تمتلك كثير من النباتات المزهرة نظاماً طبيعياً يُعرف بـ«عدم التوافق الذاتي» (Self-Incompatibility - SI)، وهو آلية جزيئية تعمل كـ«قفل ومفتاح» تسمح للزهرة برفض حبوب لقاحها الذاتية وقبول لقاح نباتات أخرى. ومن خلال إجبار التلقيح الخلطي، يضمن هذا النظام خلط الجينات وتجنّب التربية الداخلية، لينتج نسلاً أصلب وأكثر إنتاجية. وبالنسبة إلى المربّين، يُعدّ هذا النظام الطبيعي أداةً لا تُقدّر بثمن، إذ يُغنيهم عن إزالة الأعضاء الذكرية يدوياً من آلاف الأزهار عند إنتاج البذور الهجينة تجارياً.

وقال الدكتور سوبرامانيان سانكارانارايانان، المؤلف المراسل للدراسة والأستاذ المساعد في قسم علوم وهندسة الأحياء بالمعهد: «لتحقيق أقصى غلة للمحاصيل من خلال التهجين، نحتاج إلى تحكّم دقيق في عملية التلقيح، وهو ما تُسهّله آلية الرفض الذاتي. وعلى الرغم من أن هذه الآلية دُرست على نطاق واسع في Brassica napus (الكانولا)، فإن أساسها الجزيئي لا يزال غير محدّد بشكل كافٍ في صنفَي توريا والسارسون الأصفر المزروعين تجارياً في الهند».

وركّز الفريق، بقيادة الدكتور سانكارانارايانان وبمشاركة الكاتبتين الأوليتين هيمال بهالا وكوماري أنكيتا، إلى جانب الزميلين أمان أهلوات وسورابي إس. رود، على سلوك التلقيح المتباين للصنفَين. فصنف «توريا» يرفض لقاحه الذاتي مُظهراً عدم توافق ذاتي، بينما يقبله «السارسون الأصفر» مُظهراً توافقاً ذاتياً.

تقع آلية «القفل والمفتاح» على سطح الميسم، وهو النسيج التناسلي الأنثوي للنبات. ومن خلال تجارب تلقيح مُتحكَّم بها، أثبت الباحثون علاقات التوافق بتحليل التصاق حبوب اللقاح ونمو أنابيب اللقاح وتطور البذور. ولم يُسجَّل أي نمو يُذكر في توريا المُلقَّح ذاتياً، في حين امتلأت الأزهار بأنابيب لقاح نامية في حالات التلقيح الخلطي.

ثم جمع الفريق بين البيولوجيا الجزيئية والتحليل الحاسوبي لدراسة أربعة جينات رئيسية: SRK وFER1 وMLPK وARC1. وتُشفّر هذه الجينات بروتينات تعمل كحساسات ومعالجات ومنفذات لاستجابة الرفض الذاتي في النبات. واستنسخ الفريق هذه الجينات وقرأ تتابعها، وقارن شفرتها الجينية مع شفرات نباتات ذات صلة لبناء أشجار عائلية تطورية، مما أكّد أنها نسخ حقيقية ومحفوظة جيداً من جينات الرفض الذاتي المعروفة.

ولأن وظيفة البروتين تعتمد على شكله ثلاثي الأبعاد، صمّم الباحثون هذه البنى باستخدام أداة الذكاء الاصطناعي AlphaFold3 من Google DeepMind. ووفّرت المخططات البنيوية التفصيلية أساساً للتحقق من أن كل بروتين يحمل الأجزاء الوظيفية اللازمة لأداء دوره المتوقع.

وللتحقق من وظيفة الجينات، أخمد الفريق نشاط كل جين مؤقتاً، واحداً تلو الآخر، باستخدام خيوط قصيرة مصنّعة من الحمض النووي الاصطناعي تلتصق بتعليمات الجين وتمنع الخلية من قراءتها. ويكون هذا الإخماد مؤقتاً ولا يُحدِث أي تغيير دائم في النبات. فعند إخماد SRK أو FER أو ARC1، انهارت آلية الرفض الذاتي في توريا، وبدأت الأزهار بقبول لقاحها الذاتي. وأكد المجهر الفلوري نمواً قوياً لأنابيب اللقاح، مما يدل على أن حاجز عدم التوافق الذاتي قد اُخترق.

وكشف البحث أيضاً عن نتيجة مفاجئة تتعلق بالجين MLPK. وأوضحت هيمال بهالا، الكاتبة الأولى المشاركة وطالب دكتوراه في المعهد: «اعتُبر هذا الجين تقليدياً جيناً جوهرياً لمسار الرفض الذاتي في أنواع الخردل ذات الصلة. لكن في توريا، أدّى إخماد MLPK إلى إضعاف استجابة الرفض بشكل جزئي فقط، مما يشير إلى أنه يلعب دوراً ثانوياً أو احتياطياً في هذا الصنف تحديداً».

كما درس الفريق طبقة دفاع ثانية من خلال رصد التغيرات البيوكيميائية على سطح الميسم خلال دقائق من التلقيح. فعند سقوط حبة لقاح غير متوافقة، ينشر النبات درعاً كيميائياً موضعياً من أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS) التي توقف إنبات حبوب اللقاح. واستخدم الفريق صبغة النيترو بلو تترازوليوم التي تتلوّن في المناطق التي تتجمع فيها هذه الجزيئات التفاعلية. وأدى إخماد SRK أو FER أو MLPK إلى تراجع إطلاق أنواع الأكسجين التفاعلية، في حين لم يؤدّ إخماد ARC1 إلى ذلك، مما يشير إلى أن الزهرة تُشغّل نظامَي دفاع منفصلَين في آنٍ واحد، ويعتمد ARC1 على الأرجح على مسار تحلّل خلوي بديل لتحييد حبوب اللقاح غير المرغوب فيها.

وأثبت الباحثون أيضاً أن هذه الجينات محفوظة بدرجة عالية عبر أنواع الخردل، مما يدل على أن الآلية الجزيئية الأساسية لم تتغير كثيراً عبر التطور. وأكدت اختبارات التهجين الخلطي أن توريا والسارسون الأصفر لا يزالان قادرَين على التهجين بنجاح، حيث أظهرت البذور الناتجة نسبة إنبات شبه كاملة، وهي إشارة مهمة إلى أن النظام قابل للتطبيق في برامج التربية الفعلية.

ومع تسارع وتيرة تغيّر المناخ وما يصاحبه من أمطار موسمية غير منتظمة وموجات حر خارج موسمها وضغوط متغيرة من الآفات في شبه القارة الهندية، باتت القدرة على تربية بذور زيتية أصلب بسرعة ذات ثقل اقتصادي حقيقي. ويُعرّض اعتماد الهند الكبير على استيراد الزيوت الصالحة للأكل المزارعين والأسر على حدٍ سواء لصدمات الأسعار العالمية. ولذلك، يُعدّ تطوير هجن زيتية متخصصة ومرنة مناخياً خطوة محورية نحو تحقيق أهداف المهمة الوطنية للزيوت الصالحة للأكل – البذور الزيتية، وأهداف التنمية المستدامة للأمم المتحدة 2 و12.

واختتمت كوماري أنكيتا، الكاتبة الأولى المشاركة وطالب الدكتوراه في المعهد، قائلة: «تقدّم نتائجنا مخططاً جزيئياً واضحاً لكيفية تنظيم التلقيح في أصناف البذور الزيتية الهندية. وتُنشئ هذه الجينات التأسيسية خط تنفيذ لتطوير هجن متراكبة الصفات المرغوبة، بما في ذلك ارتفاع محتوى الزيت ومقاومة الأمراض والمرونة في مواجهة تقلبات الطقس».

وحظي البحث بدعم زمالات ومنح من المعهد الهندي للتكنولوجيا في غانديناغار وحكومة الهند، من بينها زمالة رئيس الوزراء للبحث من وزارة التعليم، وهيئة المنح الجامعية، وإدارة التكنولوجيا الحيوية، وزمالة راماليغاسوامي لإعادة الانضمام، ومنحة بدء البحث من مجلس البحث العلمي والهندسي.

المصدر: businessnewsthisweek.com