يمكن للخلايا النباتية من أنواع مختلفة مبادلة العضيات

مصر: ايهاب محمد زايد

 في النباتات المطعمة ، يمكن للبلاستيدات الخضراء المنكمشة القفز بين الأنواع عن طريق الانزلاق عبر بوابات غير متوقعة في جدران الخلايا.

 تتحرك البلاستيدات الخضراء داخل خلايا النباتات المسورة. يكشف بحث جديد أنه في النباتات المطعمة ، يمكن للعضيات الكاملة أحيانًا أن تعبر من خلال مسام خاصة في جدران الخلية لتدخل خلايا من أنواع مختلفة.

 

 منذ أكثر من عقد من الزمان ، لاحظ علماء الوراثة النباتية شيئًا غريبًا عندما نظروا إلى النباتات المطعمة. حيث نما نباتان معًا ، أظهرت خلايا كل نبتة علامات على التقاط كميات كبيرة من الحمض النووي من النبات الآخر. في حد ذاته ، لم يكن ذلك غير مسبوق ، لأن عمليات النقل الأفقية للجينات ليست غير شائعة في البكتيريا وحتى في الحيوانات والفطريات والنباتات. ولكن في هذه الحالة ، يبدو أن الحمض النووي المنقول هو الجينومات الكاملة السليمة للبلاستيدات الخضراء. شكّل هذا لغزًا ، لأن الخلايا النباتية تغلق نفسها داخل جدار خلوي واقي لا يوفر طريقة واضحة لدخول الكثير من الحمض النووي.

 الآن ، اكتشف الباحثون في مختبر رالف بوك في معهد ماكس بلانك لفيزيولوجيا النبات الجزيئي في بوتسدام الإجابة عن طريق تسجيل هذا النقل على الفيديو. لا يقتصر الأمر على أن جدران الخلايا في بعض الأحيان أكثر مسامية مما كان يُعتقد ، ولكن يبدو أن النباتات طورت آلية تمكن العضيات بأكملها من الزحف عبر جدار الخلية إلى الخلايا المجاورة. أبلغ الباحثون عن اكتشافهم في عدد 1 يناير من Science Advances.

 قال تشارلز ميلنيك ، عالم الأحياء النباتية الذي يدرس التطعيم في الجامعة السويدية للعلوم الزراعية في أوبسالا: “الجديد الحقيقي هو أنهم أظهروا أن العضية المادية الفعلية تتحرك ، [و] ليس فقط من خلية إلى أخرى”. “إنهما نباتان مختلفان يتبادلان العضيات.”

 ثقوب غير متوقعة في الجدران

 استخدم المزارعون الطعوم النباتية منذ أيام روما القديمة على الأقل لزراعة أشجار الفاكهة والكروم. يمكن أن يساعد تطعيم السليل – الجزء المزهر المثمر من النبات – على الجذر الراسخ أشجار الفاكهة الصغيرة أو الكروم على أن تؤتي ثمارها في وقت مبكر وتحسين مقاومتها للآفات والأمراض. يحدث التطعيم في الطبيعة أيضًا ، عندما تندمج النباتات ذات الصلة الوثيقة ببعضها البعض في نهاية المطاف ، أو عندما تشكل النباتات الطفيلية روابط مع مضيفيها. في موقع الكسب غير المشروع ، تشكل النباتات نوعًا من الندبة ، أو الكالس ، الذي يعيد تدفق الماء والمواد المغذية عبر الأنسجة الوعائية عبر الجرح ، وفي بعض الأحيان يؤدي إلى ظهور براعم جديدة.

 منذ حوالي عقد من الزمان ، قام بوك وفريقه بتطعيم نوعين من نباتات التبغ وتسلسل الجينات من كلا جانبي الكالس. ووجدوا أن الجينومات الكاملة للبلاستيدات الخضراء قد تم تبادلها بين الطعم الجذري والسليل. (مثل الميتوكوندريا ، والبلاستيدات الخضراء والعضيات النباتية الأخرى المسماة بالبلاستيدات هي بقايا بكتيريا تكافلية داخلية قديمة وتحمل موادها الوراثية الخاصة). الجينات. التهجين العرضي أو الالتهابات الفيروسية ، التي تسبب العديد من عمليات النقل الأفقية ، لا يمكنها تحقيق ذلك.

 قال بال ماليجا ، عالم النبات في جامعة روتجرز ، الذي وجد بشكل مستقل دليلًا وراثيًا على نقل البلاستيدات الخضراء والميتوكوندريا داخل الطعوم: “هذا ليس ما تتوقعه من خلية نباتية”. قال ماليجا إن الخلايا النباتية مدرعة بجدار خلوي صلب ، لذا “صورتي عن الخلية النباتية كانت السيتوبلازم جالسًا في قفص ، ولا أحد يذهب إلى أي مكان”.

 شكّل الدليل الجيني لعمليات النقل لغزًا حقيقيًا: كانت الفتحات الوحيدة المعروفة في جدران الخلية هي جزيئات plasmodesmata الصغيرة ، وهي جسور ضيقة (بعرض حوالي 0.05 ميكرون فقط) تسمح للخلايا النباتية المجاورة بتبادل البروتينات وجزيئات الحمض النووي الريبي. قال ماليجا إن البلاستيدات الخضراء ، التي يبلغ قطرها عادة حوالي 5 ميكرون ، “كانت كبيرة جدًا بحيث لا يمكن نقلها”. “بدا الأمر وكأنه ظهر بأعجوبة في الزنزانة الأخرى.”

 استمر اللغز حتى تعاون بوك مع زميله ما بعد الدكتوراه ألكسندر هيرتل ، الذي كان لديه خبرة في تصوير الخلايا الحية والفحص المجهري. كان هيرتل مصممًا على النظر إلى ما يحدث في المسمار. بعد فحص أجزاء رقيقة من التطعيم بالمجهر الإلكتروني ، لاحظ أن الخلايا بها فتحات أكبر من أي فتحات سابقة. ولكن حتى تلك التي يصل عرضها إلى 1.5 ميكرون بدت ضيقة جدًا بالنسبة للبلاستيدات الخضراء.

 بعد ذلك ، أثناء مراقبة الخلايا الحية في الكالس ، التقط هيرتل صورًا للبلاستيدات الخضراء أثناء الهجرة. تحولت بعض البلاستيدات الخضراء إلى بلاستيدات بدائية أكثر بدائية وأكثر قدرة على الحركة ويمكن أن يصل حجمها إلى 0.2 ميكرون. كما كان هيرتل يراقب ، زحفت البلاستيدات الأولية على طول الجزء الداخلي من غشاء الخلية إلى مواقع تحت الثقوب المكتشفة حديثًا في جدار الخلية. ثم تنتفخ النتوءات الشبيهة بالبراعم لأغشية الخلايا إلى الخلايا المجاورة وتوصيل العضيات. مع إعادة تنظيم الأنسجة في الكسب غير المشروع ، عادت البلاستيدات إلى الحجم الطبيعي للبلاستيدات الخضراء.

 قال هيرتل: “هناك بالتأكيد ثقوب في جدار الخلية من شأنها أن تسمح للبلاستيدات بالمرور من خلالها”. إن العقيدة القائلة بأن جدار الخلية النباتية عبارة عن حاجز دائم سميك إلى حد ما “يختفي أساسًا مع هذه الدراسة”.

 تبادل الشفاء

 أوضح هيرتل أن تحول البلاستيدات الخضراء ليس مفهومًا جيدًا حتى الآن ، ولكن يبدو أنه استجابة لتجويع الكربون وتقليل التمثيل الضوئي. عندما أطفأ الباحثون الأنوار ، لاحظوا أن المزيد من البلاستيدات غير متمايزة ، وأن تواتر نقل العضية زاد خمسة أضعاف.

 يقول ماليجا إن مدى جودة عمل البلاستيدات المنقولة في خلاياها المضيفة الجديدة يعتمد على مدى الارتباط الوثيق بين النوعين. إذا كان عدم التطابق الجيني مع الحمض النووي شديدًا للغاية ، فقد تفشل العضيات في العمل وستفقد في النهاية. لكن يمكنهم الازدهار في زنزانات الأقارب.

 تشتبه ماليجا في أن البلاستيدات الأولية قد تحتوي أو تنتج جزيئات إشارات تساعد على التئام جرح الكسب غير المشروع. يبدو أيضًا أن الفتحات الكبيرة التي تتشكل في جدران الخلايا تشكل جزءًا من استجابة الشفاء الطارئة للنبات للجرح في موقع الكسب غير المشروع ، ولكنها قد تحدث أيضًا خلال مرحلة معينة من التطور الطبيعي للنبات ، كما يقول ماليجا.

 يمكن أن تساعد هجرة العضيات الكاملة في تفسير ملاحظة أن البلاستيدات الخضراء من كتل من أنواع مختلفة من أشجار الزان التي تنمو بالقرب من بعضها البعض لديها أوجه تشابه جينية أكثر من البلاستيدات الخضراء من تجمعات متباعدة على نطاق واسع من خشب الزان ، كما يقول هيرتل. تفسر أحداث التقاط البلاستيدات الخضراء أيضًا سبب حصول الباحثين في بعض الأحيان على نتائج غير متسقة عند إعادة بناء التواريخ التطورية للنباتات: قد يكون لجينومات الخلايا النووية والبلاستيدات أنساب مختلفة.

 ليس من الواضح حتى الآن مدى تكرار حدوث هذا النوع من نقل الجينوم الأفقي من خلال هجرة العضيات في الطبيعة. ربما تقوم النباتات بنقل البلاستيدات الخضراء بين الخلايا بشكل روتيني استجابةً لإصابات أو أحداث أخرى ؛ لا أحد يعلم. تمكن بوك وماليجا وباحثون آخرون من توثيق عمليات نقل الجينوم فقط لأن الاختلافات في الأنسجة المطعمة أعطت ما كان يحدث. ولكن إذا طورت النباتات آلية لنقل العضيات ، فإن أحداث التطعيم الطبيعية النادرة نسبيًا قد تكون مناسبة واحدة فقط لها.

 شائعًا أم لا ، قد يكون للظاهرة آثار تطورية أو بيئية. يشير هيرتل إلى أنه بمجرد أن تبدأ خلية الفسيفساء في مسمار الكسب غير المشروع في إنتاج الجذور والبراعم والزهور ، فقد تؤدي إلى ظهور نوع جديد أو نوع فرعي جديد ، خاصةً إذا فتحت جدران الخلايا على اتساعها بما يكفي للسماح بدخول الجينومات النووية. في عام 2014 ، استخدم فريق بوك هذه الطريقة لإنشاء نوع جديد في عائلة الباذنجانيات بمزيج من جينومات النواة والعضيات التي لا يمكن أن تكون قد نشأت من التهجين. إذا كانت الطبيعة توفر طريقة سهلة لنقل العضيات بين النباتات ، فيمكن لباحثي التكنولوجيا الحيوية وضعها للعمل في إنشاء أنواع محاصيل جديدة مرغوبة.

 على الرغم من أن التطبيقات المحتملة كثيرة ، إلا أنه بالنسبة إلى هيرتل ، لا شيء يتفوق على متعة الاكتشاف الأساسي. قال: “الشيء المثير للاهتمام في علم الميكروسكوب هو أنك ترى أشياء لم تكن لتعتقد أنها موجودة”.