قد تكون القدرات العالية لبعض النباتات على التمثيل الضوئي مفتاحًا للمحاصيل المقاومة للتغيرات المناخية

قد تكون القدرات العالية لبعض النباتات على التمثيل الضوئي مفتاحًا للمحاصيل المقاومة للتغيرات المناخية

اكتشف علماء سالك كيف طورت بعض أنواع النباتات نهجًا أكثر كفاءة في التمثيل الضوئي؛ وقد تساعد النتائج في جعل المحاصيل مثل الأرز والقمح أكثر قدرة على الصمود في مواجهة تغير المناخ

لا جولا ــ منذ أكثر من ثلاثة مليارات سنة، وعلى كوكب الأرض المغطى بالكامل بالمياه، تطورت عملية التمثيل الضوئي لأول مرة في بكتيريا قديمة صغيرة. وفي ملايين السنين التالية، تطورت تلك البكتيريا إلى نباتات، وحسنت من نفسها على طول الطريق للتكيف مع التغيرات البيئية المختلفة. وتخلل هذا التطور قبل نحو ثلاثين مليون سنة ظهور طريقة جديدة أفضل للتمثيل الضوئي. ففي حين استمرت نباتات مثل الأرز في استخدام شكل قديم من أشكال التمثيل الضوئي المعروف باسم C3، طورت نباتات أخرى مثل الذرة والذرة الرفيعة نسخة أحدث وأكثر كفاءة تسمى C30.

يوجد الآن أكثر من 8,000 نوع مختلف من نباتات C4، والتي تنمو بشكل جيد بشكل خاص في المناخات الحارة والجافة وهي من أكثر أنواع المحاصيل إنتاجية في العالم. ومع ذلك، لا تزال الغالبية العظمى من النباتات تعمل على التمثيل الضوئي C3. فكيف إذن نشأت نباتات C4، وهل يمكن لنباتات C3 أن تحصل على تحديث مماثل؟

والآن، وللمرة الأولى على الإطلاق، اكتشف علماء معهد سالك وزملاؤه في جامعة كامبريدج خطوة أساسية يجب على نباتات C4 مثل الذرة الرفيعة اتخاذها لتتطور لتصبح فعالة للغاية في عملية التمثيل الضوئي - وكيف يمكننا استخدام هذه المعلومات لجعل المحاصيل مثل الأرز والقمح وفول الصويا أكثر إنتاجية ومرونة في مواجهة مناخنا الدافئ.

تم نشر النتائج في الطبيعة في نوفمبر شنومكس، شنومكس.

يقول البروفيسور: "إن السؤال عما يجعل نباتات C3 وC4 مختلفة ليس مهمًا فقط من المنظور البيولوجي الأساسي المتمثل في الرغبة في معرفة سبب تطور شيء ما وكيف يعمل على المستوى الجزيئي". جوزيف إيكر"إن الإجابة على هذا السؤال تشكل خطوة هائلة نحو فهم كيفية إنتاج المحاصيل الأكثر قوة وإنتاجية في مواجهة تغير المناخ والنمو السكاني العالمي."

يستخدم حوالي 95% من النباتات عملية التمثيل الضوئي C3، حيث تقوم الخلايا المتوسطة ـ الخلايا الإسفنجية الخضراء التي تعيش داخل الأوراق ـ بتحويل الضوء والماء وثاني أكسيد الكربون إلى سكريات تغذي النبات. وعلى الرغم من شيوعها على نطاق واسع، فإن عملية التمثيل الضوئي C3 تعاني من عيبين رئيسيين: 1) في 20% من الوقت، يتم استخدام الأكسجين عن طريق الخطأ بدلاً من ثاني أكسيد الكربون ويجب إعادة تدويره، مما يبطئ العملية ويهدر الطاقة، و2) المسام على سطح الورقة تكون مفتوحة بشكل متكرر أثناء انتظار دخول ثاني أكسيد الكربون، مما يتسبب في فقدان النبات للمياه وزيادة تعرضه للجفاف والحرارة.

لحسن الحظ، حل التطور هذه المشكلات من خلال عملية التمثيل الضوئي C4. حيث تقوم نباتات C4 بتجنيد خلايا غمد الحزمة، والتي تعمل عادةً كدعم لعروق الأوراق، للقيام بعملية التمثيل الضوئي جنبًا إلى جنب مع خلايا النسيج الأوسط. ونتيجة لذلك، تعمل نباتات C4 على التخلص من أخطاء استخدام الأكسجين هذه للحفاظ على الطاقة والحفاظ على مسام سطح النبات مغلقة بشكل متكرر للحفاظ على المياه. والنتيجة هي زيادة بنسبة 50% في الكفاءة مقارنة بنباتات C3.

ولكن على المستوى الجزيئي، ما الذي جعل النباتات التي تعتمد على الكربون تتحول إلى نباتات تعتمد على الكربون الرباعي؟ وهل يستطيع العلماء أن يحفزوا المحاصيل التي تعتمد على الكربون الثلاثي على التحول إلى محاصيل تعتمد على الكربون الرباعي؟

وللإجابة على هذه الأسئلة، استخدم علماء سالك أحدث تقنيات علم الجينوم أحادي الخلية لدراسة الفرق بين الأرز C3 والذرة الرفيعة C4. وفي حين كانت الطرق السابقة غير دقيقة للغاية بحيث لم تتمكن من التمييز بين الخلايا المجاورة مثل خلايا النسيج المتوسط ​​وخلايا غلاف الحزمة، فإن علم الجينوم أحادي الخلية سمح للفريق بالتحقيق في التغيرات الجينية والبنيوية في كل نوع من الخلايا من كلا النباتين.

يقول إيكر: "لقد فوجئنا وسعدنا عندما اكتشفنا أن الاختلاف بين نباتات C3 وC4 لا يتمثل في إزالة أو إضافة جينات معينة، بل إن الاختلاف يكمن في المستوى التنظيمي، وهو ما قد يسهل علينا في الأمد البعيد تشغيل عملية التمثيل الضوئي C4 الأكثر كفاءة في محاصيل C3".

تحتوي جميع الخلايا داخل الكائن الحي على نفس الجينات، ولكن الجينات التي يتم التعبير عنها في أي وقت معين هي التي تحدد هوية كل خلية ووظيفتها. إحدى الطرق التي يمكن بها تعديل التعبير الجيني هي من خلال نشاط عوامل النسخ. تتعرف هذه البروتينات على امتدادات صغيرة من الحمض النووي بالقرب من الجينات وترتبط بها، والتي تسمى العناصر التنظيمية. بمجرد وضعها في العنصر التنظيمي، يمكن لعامل النسخ أن يساعد في "تشغيل" الجينات القريبة أو "إيقافها".

عند قياس التعبير الجيني في نباتات الأرز والذرة الرفيعة، وجد العلماء أن عائلة عوامل النسخ التي يشار إليها عادة باسم DOFs كانت مسؤولة عن تشغيل الجينات لتكوين خلايا غمد الحزمة في كلا النوعين. كما لاحظوا أن DOFs كانت مرتبطة بنفس العنصر التنظيمي في كلا النوعين. ومع ذلك، في نباتات الذرة الرفيعة C4، لم يكن هذا العنصر التنظيمي مرتبطًا فقط بجينات هوية غمد الحزمة - بل كان أيضًا يشغل جينات التمثيل الضوئي. يشير هذا إلى أن نباتات C4 قد أضافت في مرحلة ما عناصر تنظيمية أسلاف لجينات غمد الحزمة إلى جينات التمثيل الضوئي، بحيث تقوم DOFs بتشغيل كلتا المجموعتين من الجينات في نفس الوقت. وهذا من شأنه أن يفسر كيف اكتسبت خلايا غمد الحزمة في نباتات C4 القدرة على التمثيل الضوئي.

كشفت هذه التجارب أن كل من النباتات C3 وC4 تحتوي على الجينات وعوامل النسخ اللازمة لعملية التمثيل الضوئي C4 المتفوقة - وهو اكتشاف واعد للعلماء الذين يأملون في دفع النباتات C3 لاستخدام التمثيل الضوئي C4.

يقول جوزيف سويفت، المؤلف المشارك الأول للدراسة والباحث في مرحلة ما بعد الدكتوراه في مختبر إيكر: "الآن لدينا هذا المخطط التفصيلي لكيفية استخدام النباتات المختلفة لطاقة الشمس للبقاء في بيئات مختلفة. والهدف النهائي هو محاولة تشغيل عملية التمثيل الضوئي C4، وبالتالي خلق محاصيل أكثر إنتاجية ومرونة للمستقبل".

إن المهمة التالية التي تنتظر الفريق هي تحديد ما إذا كان من الممكن هندسة الأرز لاستخدام التمثيل الضوئي رباعي الكربون بدلاً من ثلاثي الكربون. ويظل هذا هدفًا طويل الأمد للغاية مع تحديات تقنية كبيرة يتم معالجتها من خلال جهد تعاوني عالمي يُعرف باسم "مشروع الأرز C4"على الفور، سوف تبلغ النتائج مبادرة نباتات تسخير السلكتتمثل مهمة 'الزراعة المستدامة' في إنشاء محاصيل مثالية قادرة على مقاومة ومحاربة خطر تغير المناخ في نفس الوقت.

وقد تمت مشاركة بيانات جينوميات الخلية الواحدة الخاصة بهم أيضًا كمورد للعلماء في جميع أنحاء العالم، مما أثار الإثارة بسرعة لإجاباتها على هذا اللغز الطويل الأمد في التطور.

ومن بين المؤلفين الآخرين ترافيس لي وجوزيف نيري من معهد سالك، بالإضافة إلى ليوني لوجينبوهل، ولي هوا، وتينا شراير، وروث دونالد، وسوزان ستانلي، ونا وانج، وجوليان هيبرد من جامعة كامبريدج في المملكة المتحدة.

تم دعم هذا العمل من قبل معهد هوارد هيوز الطبي، ومجلس أبحاث التكنولوجيا الحيوية والعلوم البيولوجية، ومشروع الأرز C4، ومؤسسة بيل وميليندا جيتس، ومؤسسة أبحاث العلوم الحياتية، ومنحة هيرشل سميث، والمنظمة الأوروبية لعلم الأحياء الجزيئي.

دوى: 10.1038/s41586-024-08204-3