الخلايا النباتية “سلالة جرثومية” تحمي بطريقة غير متوقعة أجيالًا جديدة

الخلايا النباتية "سلالة جرثومية

معلومة تهمك

الخلايا النباتية “سلالة جرثومية” تحمي بطريقة غير متوقعة أجيالًا جديدة

مصر: ايهاب محمد زايد

لتجنب انتقال طفرات جديدة إلى النسل ، يبدو أن النباتات تقلل عدد الانقسامات بواسطة الخلايا الجذعية التي تصنع الزهور والبذور.

معلومة تهمك

تشير الأبحاث إلى أن الزهور والتركيبات الجديدة الأخرى في النباتات قد تنمو من خلايا جذعية متخصصة تنقسم بأكبر عدد ممكن من المرات. من خلال البقاء غير نشطة ، قد تحمي الخلايا الحمض النووي الذي ينتقل إلى الأجيال القادمة.

 

كانت نباتات كاريل زيها الطافرة صحية للغاية. كان عالم الأحياء الجزيئية ، وهو باحث ما بعد الدكتوراه في تكساس في عام 2000 ، يقوم بتربية الكائن الحي الرائد في علم النبات ، أرابيدوبسيس ، وهو عشب غير ملحوظ في عائلة الخردل. لقد اختار بعناية سلالة بها طفرة سلبت النباتات من قدرتها على إصلاح الأغطية الموجودة في نهاية حمضها النووي. مع كل انقسام خلوي ، نمت هذه التيلوميرات الواقية أقصر ، مما يسرع من الانهيار الجيني الحتمي للنباتات.

لكن شهرين أصبحا ستة ، واستمرت الأجيال المتعاقبة من نبات الأرابيدوبسيس في النمو مثل الأعشاب التي كانت عليها. قالت زيحا ، التي تدير الآن مختبرًا في CEITEC (معهد أوروبا الوسطى للتكنولوجيا) في جامعة ماساريك في جمهورية التشيك ، “لقد استغرق الأمر مني أكثر من عام حتى تظهر العلامات الأولى لمشاكل التيلوميرات”. “كانت هذه أول علامة على حدوث شيء غريب.”

كانت الطفرات تتقدم في العمر ببطء شديد ، وسيمر عقد من الزمن قبل أن يتمكن من معرفة السبب. في السنوات الأخيرة ، قام زيحا وغيره من علماء الأحياء بفحص كيفية نمو النباتات على المستوى الخلوي. بعض التفاصيل المهمة غامضة بشكل غير متوقع. على الرغم من أن النباتات تبدو وكأنها تصنع أزهارًا من أنسجة طبيعية ، إلا أنها قد تمنع الطفرات في خلايا الجسم من الوصول إلى الأجيال القادمة – وهي استراتيجية مرتبطة عادةً بالحيوانات. إذا نجح هذا الاكتشاف المثير للجدل ، فقد يقلب قرنًا من الحكمة التقليدية حول كيفية تطور مملكة النبات ، وحياتها ، وموتها.

تتراكم الخلايا الضرر الجيني طوال حياتها من البلى البيئي ، وخاصة من الحوادث المؤسفة التي تحدث أثناء نسخ الحمض النووي لانقسام الخلايا. خلال القرن التاسع عشر ، حتى قبل التعرف على الحمض النووي باعتباره مادة وراثية ، وضع عالم الأحياء التطوري الألماني أوغست وايزمان نظرية مفادها أن الكائنات الحية قد تحمي تراثها الجيني من خلال إنشاء نسيج “سلالة جرثومية” ، يتم عزله عن التعرض والتكاثر.

اليوم ، يعرف علماء الأحياء أن معظم الحيوانات تخصص الخلايا التي ستستخدمها يومًا ما للتكاثر في وقت مبكر ، وتطردها بعيدًا لحفظها في ما سيصبح الأعضاء التناسلية. قد تؤدي عقود من ضوء الشمس إلى تدهور الحمض النووي لبشرتك ، ولكن نظرًا لأنك لا تنجب أطفالًا بمرفقك ، فإن هذا الضرر ينتقل معك إلى القبر.

في هذه الصورة المجهرية لزهرة أرابيدوبسيس ، تظهر نوى الخلايا المكونة للمدقات (الأعضاء الأنثوية التي تصنع البذور) والأنثرات (الأعضاء الذكرية التي تصنع حبوب اللقاح) باللون الأرجواني. تظهر نوى خلايا السلالة الجرثومية الذكرية باللون الأخضر في مراحل مختلفة من التطور.

ومع ذلك ، فإن النباتات مختلفة. يمكن أن تنبت الهياكل الإنجابية ، مثل الزهور أو الأقماع ، من أي مكان تقريبًا في النبات ، مما أدى بعلماء النبات إلى استنتاج أن النباتات لا تنتج نظائر البيض إلا في وقت متأخر من اللعبة ، قبل التكاثر مباشرة. يُفترض أن الخلايا المخصصة للتكاثر في النهاية مأخوذة من أنسجة الجسم القياسية ، مما يعني أن أي طفرات تنشأ في سلالات الخلايا هذه أثناء حياة الكائن الحي يمكن أن تنتقل إلى الجيل التالي ، وفقًا لهذا التفكير.

يرى بعض علماء الأحياء أن افتقار النباتات الواضح إلى السلالة الجرثومية يبدو وكأنه ميزة مفيدة تسمح لمجموعات النباتات باختبار العديد من الطفرات للعثور على تلك التي تتناسب بشكل أفضل مع بيئاتها المتغيرة. ومع ذلك ، بالنسبة للآخرين ، إنه خطأ محير يتعارض مع طول العمر الملحوظ للعديد من الأشجار. إذا كانت جميع الطفرات في الأشجار القديمة الشاهقة يمكن أن تعيش ، فيجب أن تواجه الأشجار مشكلة في إنتاج جيل بعد جيل من الشتلات الصحية. الآن ، يسعى عدد قليل من الباحثين إلى إعادة الجدل إلى الافتراض التأسيسي: ماذا لو كان لدى النباتات خط جرثومي يخنق الطفرات بعد كل شيء؟

قبل بضع سنوات ، كان روبرت لانفير ، الذي يدرس التطور الجزيئي في الجامعة الوطنية الأسترالية ، يفكر في العدد المنخفض المفاجئ للطفرات التي ظهرت في خلايا الجسم لنبات الأوكالبتوس أثناء التحليل الجيني. متسائلاً كيف يمكن للنباتات أن تحافظ على الطفرات تحت السيطرة ، قرر تتبع أصول فكرة عدم وجود خط جرثومي. عندما وجد أن الأدلة الداعمة كانت ضعيفة ، لخص النتائج التي توصل إليها في مقال نُشر عام 2018 في PLOS Biology.

قال: “استغرق هذا ما لا يقل عن 18 شهرًا من قراءة مئات الأوراق ، بعضها يرجع تاريخه إلى عشرينيات القرن الماضي”. “أعتقد أننا كنا نقف على أرض أكثر اهتزازًا مما كنا نتصور”.

حفز زوج معين من النتائج من عام 2016 لانفير لكتابة ورقته البحثية. إذا كانت الفروع ، مثل الزهور ، يمكن أن تنمو من أي خلية ، فيجب أن يعتمد عدد انقسامات الخلايا بين نقطتين في النبات على كمية المادة بينهما. ومع ذلك ، من خلال التتبع الجاد للانقسام المجهري للخلايا ، وجد فريق من جامعة برن في سويسرا أن نبات الأرابيدوبسيس وفروع الطماطم ، على الأقل ، صعب الإرضاء قليلاً.

تُشتق جميع الخلايا النباتية في النهاية من تاج من مئات الخلايا الموجودة على رأس الساق الرئيسية للنبات – النسيج الإنشائي القمي. لقد عرف علماء النبات منذ عقود أن الانقسام البطيء للخلايا الجذعية في المركز يؤدي إلى النمو عن طريق إنتاج الخلايا الوليدة ، والتي تتكاثر بشكل أسرع على الأطراف ، وتدفع النسيج الإنشائي للأعلى وتتحول في النهاية إلى أوراق وأغصان وأزهار. لكن لم يتضح بالضبط كيف تختار النباتات أي الخلايا يجب أن تبدأ هذه الأعضاء.

اقترحت جهود التتبع لمجموعة برن أن فروعًا جديدة تنبت مباشرة من الخلايا الجذعية ، وليس من الأوراق المتخصصة أو الخلايا الفرعية. فقط سبعة إلى تسعة أقسام من الخلايا تفصل فرعًا واحدًا عن الآخر ، بغض النظر عن طول الفرع أو حجم نمو النبات. وبهذا المعدل ، فإن الخلايا الجذعية المركزية الموجودة على طرف الفرع الأبعد قد تكون قد انقسمت عشرات المرات فقط على مدى عمر النبات بالكامل ، وهو رقم صغير مقارنةً بتريليونات الخلايا الموجودة في الكائن الحي. قال لانفير: “هذا غريب جدًا”. “الرقم أقل بكثير مما كان يعتقده أي شخص.”

إنه أشبه بمجموعة من الخلايا المحمية أو المحمية من النسخ المتماثل على نطاق واسع.

بعد أشهر ، ظهرت نتائج أرابيدوبسيس الخاصة بـ Říha أخيرًا ، مما أدى إلى مدى الحياة ما فعله بحث الطماطم للنمو. رفض المراجعون المتشككون المقال في عام 2011 ، لكن الرياح تغيرت بعد بحث برن. متابعةً لملاحظات íha في تكساس ، قام فريقه بتربية مسوخ أرابيدوبسيس في ظل ظروف الإضاءة العادية والممتدة وقياس تدهور التيلومير من جيل إلى آخر كمؤشر لعدد المرات التي قامت فيها النباتات بنسخ الحمض النووي الخاص بها خلال حياتها. على الرغم من العيش لمدة أطول بثلاث مرات من الأفراد ذوي الضوء الممتد ، فإن نبات الأرابيدوبسيس ذو الضوء الطبيعي ينقل الحمض النووي مع التيلوميرات فقط بحوالي 15 ٪ أقصر – وهو انخفاض أقل بكثير مما يشير إليه الاختلاف في طول العمر.

لقد فهم íha أخيرًا سبب ازدهار نباتاته في تكساس لأجيال عديدة: مهما كانت سلالة الخلية التي ترعى الحمض النووي التكاثري لأرابيدوبسيس ، فإنها تنقسم بوتيرة جليدية لا علاقة لها بالحجم أو العمر الافتراضي. في ضوء هذه النتائج وتلك التي توصلت إليها مجموعة برن ، بدت الخلايا الجذعية التي تنقسم ببطء في النسيج الإنشائي القمي كأنها مرشحة رئيسية للسلالة المعنية. يشتبه íha الآن في أن تنظيم النسيج الإنشائي القمي ، مع وجود عدد قليل من الخلايا في الجزء العلوي ينقسم فقط عند الضرورة القصوى بينما تمثل الخلايا الوليدة أدناه حصة الأسد في نمو النبات ، ربما تكون قد تطورت لحماية الحمض النووي الإنجابي.

لا تتشابه الإستراتيجية تمامًا مع إغلاق البويضات في المبايض ، كما تفعل الحيوانات ، ولكن إبقاء الخلايا الجذعية نائمة نسبيًا في النسيج الإنشائي القمي قد يجلب نفس الفائدة – بينما تنقسم خلايا الجسم مثل الأخطاء المتراكمة المجنونة ، وعدد قليل من الخلايا الجذعية الهادئة يحافظ على نظافة الحمض النووي الخاص بهم من أجل التكاثر في نهاية المطاف. قالت زيحا: “ليس الأمر وكأن هناك فصلًا صارمًا ، والذي من شأنه أن يضع السلالة الجنسية جانبًا في وقت مبكر جدًا ويبقيه جانبًا”. “إنها أشبه بمجموعة من الخلايا المحمية أو المحمية من النسخ المتماثل على نطاق واسع.”

بدأ بعض علماء الأحياء في اعتبار هذه المجموعة الهادئة من الخلايا “خطًا جرثوميًا وظيفيًا” ، في تطور لنظرية فرنسية من منتصف القرن العشرين تسمى ميريستيم دي أتينت ، أو “ميريستيم انتظار” ، والتي اقترحت أن أجنة النبات تحبس الخلايا الجرثومية في وقت مبكر مثل العديد من الحيوانات ، وأن الخلايا تظل صامتة تمامًا في النسيج الإنشائي حتى الإزهار. في النهاية ، قام علماء النبات بتشويه النظرية من خلال إثبات أن جميع الخلايا الجنينية تنقسم مع نمو النبات ، لكن لانفير يعتقد أن الرفض ذهب بعيدًا جدًا. ويضيف أن هناك متسعًا كبيرًا بين أقصى درجات وضع الخلايا الجرثومية جانبًا على الفور حتى لا تنقسم مرة أخرى أبدًا ، والانقسام المحموم طوال فترة التكاثر. علاوة على ذلك ، كما يقول ، يختلف التعامل مع السلالة الجرثومية والتوقيت من حيوان إلى آخر ، وتوقع أن تقوم النباتات جميعًا بذلك بنفس الطريقة سيكون أمرًا ساذجًا.

بصفته باحثًا في مرحلة ما بعد الدكتوراه ، كان Karel Říha ، عالِم الأحياء الجزيئية حاليًا في CEITEC في جمهورية التشيك ، في حيرة من كيفية بقاء النباتات ذات الجينوم غير المستقر بصحة جيدة على مدى أجيال عديدة.

مجاملة SoMoPro

ولكن هل يرتبط السلالة الجرثومية الوظيفية فعليًا بمعدلات الطفرات الاكتئابية؟ تشير الدراسات الحديثة إلى أنه قد يكون كذلك. ترسل الأشجار أغصانًا عندما تنمو أطول ، وبالتالي فإن الفروع السفلية تكون بمثابة لقطات لجينوم النبات عندما كان صغيرًا. وتتيح تقنيات التسلسل الجيني الميسورة التكلفة للباحثين تجميع عروض شرائح تكشف كيف يتغير الحمض النووي مع تقدم الأشجار في العمر.

تساءل فيليب ريمون ، عالم الأحياء الجزيئية ، الذي صدمه عظمة شجرة البلوط القديمة في حرم جامعة لوزان في سويسرا ، عن عدد الطفرات التي تراكمت في أعاليها بعد أكثر من 200 عام من النمو تحت الشمس. باستخدام تسلسل الحمض النووي للأوراق من أسفل وأعلى البلوط ، استخدمت مجموعته الخوارزميات للبحث في الشفرات الجينية بحثًا عن الأخطاء المطبعية – وهو جهد يقارنه بنسخ مجموعتين من 100 قاموس أوكسفورد للغة الإنجليزية. في النهاية ، قدروا أن الأوراق العليا لم تتراكم أكثر من ثلاثين طفرة – فقط عُشر ما توقعه ريمون بناءً على بحث أرابيدوبسيس.

يمكن أن يفسر السلالة الجرثومية الوظيفية مع الحماية الجينية والمادية كيف تحافظ الشجرة القديمة على صحتها وراثيًا. قال ريموند: “يجب أن يكون هناك تحكم جيني حول سبب عدم انقسام عدد قليل من الخلايا – برنامج جيني صارم”. “يمكن أن تكون طبقات الأوراق هذه أيضًا حماية من الأشعة فوق البنفسجية” للخلايا الجذعية الموجودة تحتها.

تنتمي كل من نباتات الأرابيدوبسيس والطماطم والبلوط إلى مجموعة النباتات المزهرة المسماة كاسيات البذور ، لكن معدل الطفرات الأول المقدّر لأشجار الصنوبر الفردية ، والذي نُشر في يونيو ، يروي قصة مماثلة. كان لدى فريق من جامعة كولومبيا البريطانية (UBC) متسلقون محترفون للأشجار يجمعون الإبر وقطع الجذع من 200 إلى 500 عام من أشجار التنوب سيتكا. من خلال تسلسل أقسام الجينوم المختارة ، وجدوا معدل طفرة سنويًا أقل من معدل العديد من الحيوانات. وبافتراض أن تكاثر الراتينجية للحمض النووي الفاشل تقريبًا كما يفعل نبات الأرابيدوبسيس ، خلصت المجموعة إلى أن الخلايا الجذعية للأشجار قد تظل هادئة لسنوات بين الانقسامات. قالت سالي أيتكين ، مؤلفة مشاركة وأستاذة الغابات في جامعة كولومبيا البريطانية: “هذا أقرب إلى خط جرثومي”.

يجمع فريق غابات من جامعة كولومبيا البريطانية ، بقيادة الباحثة سالي أيتكين ، عينات من أشجار التنوب سيتكا في متنزه كارماناه والبران الإقليمي لدراسة معدلات الطفرات في أجزاء مختلفة من النباتات.

البعض ، مع ذلك ، لديه تحفظات. تشير سارة أوتو ، عالمة الأحياء التطورية في جامعة كولومبيا البريطانية والتي عملت أيضًا في دراسة الصنوبر ، إلى أن الخلايا الجذعية ربما تطورت لتنقسم ببطء لأسباب لا علاقة لها بالتحكم في الطفرات. قد يكون النسيج الإنشائي القمي الذي يظل صغيرًا وهادئًا ، على سبيل المثال ، هو النوع الوحيد الذي يظل متوازنًا فوق النمو المتفجر نسبيًا للنبات أدناه. بالنسبة لها ، فإن التحليل الجزيئي الأكثر عمقًا للخلايا الجذعية سيكون دليلاً أكثر إقناعًا.

لورانس هيرست ، عالِم الوراثة التطورية في مركز ميلنر للتطور بجامعة باث ، ينصح أيضًا بالحذر لأنه من الصعب مقارنة معدلات الطفرات عبر المجموعات ذات المجموعات السكانية المختلفة ، ومدى الحياة والأحجام. للوصول إلى جذر الطفرات داخل الأفراد ، شارك مؤخرًا في تأليف بحث ، نُشر في أبريل في PLOS Biology ، يقارن مئات الجينومات المأخوذة من أجزاء مختلفة من النباتات من نفس الأنواع الثمانية. قال: “نحاول تجريد كل هذه المتغيرات”. “كل شيء من نفس النبات اللعين.”

أعتقد أن هذا هو أفضل دليل على أن أي شخص قد توصل إلى أن بعض النباتات لديها بالفعل خط جرثومي.

 

يجد هيرست أن فرضية لانفير مثيرة للفضول ، ويرجع ذلك جزئيًا إلى أن إحدى التجارب في دراسة هيرست الأخيرة تجاوزت فكرة السلالة الجرثومية الوظيفية ، حيث كشفت عن الدليل الأكثر إيحاءًا حتى الآن عن السلالة الجرثومية المنفصلة على غرار الحيوانات من الصدق إلى الخير.

تتكاثر الفراولة عن طريق إطفاء النباتات الجديدة التي تنمو لتصبح نباتات جديدة عند اصطدامها بالأرض. نظرًا لأن هؤلاء العدائين يحملون الحمض النووي لنباتات الفراولة المستقبلية ، فإن نظرية السلالة الجرثومية ستصر على أن النبات يجب أن يحافظ على انخفاض الطفرات العداء. لكن هؤلاء المتسابقين لديهم ضعف طفرات الأوراق غير المتسقة التكاثرية. قال هيرست: “لقد جعلتنا بالفعل نخدش رؤوسنا”.

بعد تتبع الطفرات الخمس بعناية ، وجد الفريق أن طفرة واحدة فقط وصلت إلى كل من النبتات الوليدة ، ودائمًا نفس الطفرات. حسب هيرست ، كانت احتمالات سحب كل نبات متتالي لنفس الطفرة بشكل عشوائي أقل من 1 في 1000 ، مما يشير إلى تفسير آخر.

قال: “ما لدينا هو أجمل متتبع لخطوط الخلايا عن طريق الصدفة”. “هذه [الطفرة] يجب أن تكون موجودة في شيء مثل السلالة الجرثومية.” إذا قامت الفراولة بفصل الخلايا فعليًا في العدائين ، وتخصيص الموارد الجزيئية للحفاظ على معدل الطفرات منخفضًا في الخلايا المخصصة للتكاثر ، فيمكنها تجاهل بقية العداء دون العديد من الآثار الضارة لذريتهم.

قال هيرست: “أعتقد أن هذا هو أفضل دليل على أن أي شخص قد توصل إلى أن بعض النباتات لديها بالفعل خط جرثومي”. بعد ذلك ، يخطط للحصول على بعض عينات العداء تحت المجهر والبحث عن الاختلافات الجسدية.

لاحظ لورنس هيرست ، عالم الوراثة التطورية في مركز ميلنر للتطور ، أدلة على وجود نوع من الخلايا الجرثومية المنفصلة في نباتات الفراولة.

جامعة باث

يجد Lanfear أن مثل هذه النتائج مثيرة ولكنها تؤكد أنها أولية. في هذه المرحلة ، تتضمن معظم التجارب مجموعات صغيرة من النباتات ولم تكن مصممة بشكل صريح للبحث عن السلالات الجرثومية للنبات. كما أن العديد من المحاذير الفنية تعقد تفسير النتائج الجينية. قال: “لا يوجد دليل مضاد للرصاص تمامًا”.

يستدعي وضع فرضية السلالة الجرثومية الوظيفية على أرضية صلبة دراسة كيفية انقسام النسيج الإنشائي القمي ، وقياس معدلات الطفرات في المزيد من الأنواع ، وتتبع عدد الطفرات التي تصل إلى الجيل التالي. سيكون إثبات وجود خط جرثومي منفصل أكثر صعوبة. من الناحية المثالية ، يمكن للباحثين تتبع سلالة الخلايا الكاملة للنبات والبحث عن مجموعة نسيج واحدة تؤدي فقط إلى الزهور ، ولكن النباتات طويلة العمر ، ومعتمة وبلاستيكية ، وتغطيها ورقة النسيج الإنشائي من العلماء بالإضافة إلى الأشعة فوق البنفسجية.

على الرغم من التحديات ، يعتقد لانفير أن العمل القادم سيقطع شوطًا طويلاً نحو الحل. قال: “لن أتفاجأ ، إذا كان لدينا خلال السنوات الخمس المقبلة بعض الإجابات الجيدة جدًا عن هذا السؤال في العديد من الأنواع المختلفة.”

نظرًا لأن السلالات الجرثومية تمثل البوابات الجينية بين الأجيال ، فإن فهم الدرجة التي تسخرها الأنواع يمكن أن يضيء الاتجاهات التطورية عبر مساحات من شجرة الحياة. يدرس هيرست النباتات لاختبار ما يسميه “تأثير الظل المستقبلي” ، وهي فرضية مفادها أنه كلما زادت أهمية امتداد الحمض النووي للأجيال القادمة ، كلما عمل الكائن الحي على الحفاظ على سلامته. قال “إن السلالة الجرثومية [المحجوزة] هي مجرد بلورة لذلك”.

لطالما حير علماء الأحياء حول سبب ثبات معدلات الإصابة بالسرطان على مدى الحياة إلى حد ما عبر الأنواع من الفئران إلى الأفيال ، على الرغم من أن الأخيرة لديها عدد أكبر من الخلايا التي يجب أن تتلاشى. لا تنتقل سرطانات النبات لأن خلاياها لا تتحرك ، ولكن الطفرات العشوائية تسبب الضرر بطرق أخرى. من المنطقي ، إذن ، أن رفاقنا المورقين قد طوروا تقنيات للحفاظ على أزيزهم الجيني بسلاسة بما يكفي للسماح لهم بالنمو بشكل كبير. عندما يتعلق الأمر بإدارة جيناتهم ، تسعى كل الأنواع إلى تحقيق توازن بين قطع الزاوية المقتصد والكمالية المكلفة. السؤال الآن هو إلى أي مدى قد تتداخل استراتيجياتنا الخاصة.

قال ريموند: “كلما درسنا النباتات ، وجدنا أن هناك استراتيجيات مماثلة أو نتائج مماثلة في البشر أو الحيوانات”. “إنها حلول مختلفة ولكن ربما لنفس الأسباب أو لنفس الهدف.”

تنبيه هام، المنشور يعبر عن رأي الكاتب ويتحمل مسؤوليته، دون ادنى مسؤولية علي الجريدة

تنبيه

احصل على تحديثات في الوقت الفعلي مباشرة على جهازك ، اشترك الآن.

معلومة تهمك

اترك رد

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني.

%d مدونون معجبون بهذه: