بداية عصر جديد في أبحاث النبات .. كيف تستجيب النباتات لمواقف الإجهاد المحددة؟
عندما يتعلق الأمر بالبقاء على قيد الحياة، تواجه النباتات تحديًا كبيرًا مقارنة بالعديد من الكائنات الحية الأخرى: فهي لا تستطيع التحرك للهروب من الحيوانات المفترسة، أو مسببات الأمراض، أو الإجهاد الحراري، أو غيرها من الظروف البيئية غير المواتية.
وللتغلب على هذه التهديدات، طورت النباتات استراتيجيات مختلفة تحفزها إشارات بيئية محددة. ومن المعروف منذ فترة طويلة أن التغيرات في تركيز الكالسيوم داخل الخلايا تلعب دوراً رئيسياً في معالجة هذه الإشارات.
ومع ذلك، إلى جانب هذه التغيرات في الكالسيوم، يشتبه أيضًا في أن التحولات في إمكانات غشاء الخلية تعمل كناقلات للإشارات.
والآن، قام باحثون من أقسام علم وظائف الأعصاب وعلم الأحياء الصيدلاني وعلم النبات في جامعة يوليوس ماكسيميليان في فورتسبورج (JMU) باستكشاف العلاقة بين الكالسيوم وإمكانات الغشاء بعمق أكبر.
استجابة النباتات للإجهاد
وفي دراستهم، عمل فريق البحث على نباتات التبغ التي تم تصميمها لحمل قنوات أيونية يمكن تنشيطها بشكل خاص بالضوء.
منذ أكثر من عشرين عامًا، كان العلماء بيتر هيجمان، وجورج ناجل، وإرنست بامبرج روادًا في مجال علم البصريات الوراثية باكتشافهم وتوصيفهم للقنوات الأيونية المنشطة بالضوء، والمعروفة باسم رودوبسين القناة.
نُشرت الدراسة في مجلة Nature .
وباستخدام هذه البروتينات الحساسة للضوء، والتي يتم الحصول عليها من الطحالب والكائنات الحية الدقيقة، تمكن باحثو جامعة جيمس ماديسون من تحديد ما إذا كان تدفق أيونات الكالسيوم أو استقطاب غشاء الخلية، بوساطة تدفق الأنيونات، أمرًا بالغ الأهمية لاستجابة النبات لمواقف الإجهاد المحددة .
ومع ذلك، كان الأمر يتطلب قدرًا كبيرًا من العمل التحضيري قبل أن يتمكنوا من إجراء هذه التجارب.
تحسين استخدام الرودوبسينات القناهية
أحدثت القنوات الأيونية المزودة بمفتاح ضوء يعتمد على الرودوبسين ثورة في علم الأعصاب من خلال تمكين دراسة الشبكات العصبية التي يتم التحكم فيها بالضوء.
لم يصبح تطبيق الرودوبسينات القنطرية في أبحاث النبات ممكنًا إلا بعد مرور 20 عامًا، وذلك بفضل التعاون الوثيق بين مجموعة جورج ناجل في معهد علم وظائف الأعضاء في جامعة جيمس ماديسون وباحثي النبات من كراسي فورتسبورغ لعلم النبات 1 و2 وعلم الأحياء الصيدلاني.
في عام 2021، نشرت مجموعة ناجل، إلى جانب الدكتور كاي كونراد، قائد المجموعة في قسم علم النبات بجامعة جيمس ماديسون للأستاذ راينر هيدريش 1، طريقة لتحسين استخدام الرودوبسين القناهي في النباتات من خلال التغلب على ثلاثة تحديات رئيسية.
التعبير الناجح عن الرودوبسينات القنونية
وأوضح المؤلف المشارك في الدراسة شي تشيانج جاو، وهو “مهندس رودوبسين” من مختبر البصريات الوراثية في قسم وظائف الأعصاب في جامعة جيمس ماديسون، التحدي الأول.
قال جاو، “مثل جميع الرودوبسينات، بما في ذلك تلك الموجودة في أعيننا، تتطلب الرودوبسينات القنطرية الجزيء الصغير الشبكي، المعروف أيضًا باسم فيتامين أ، لامتصاص الضوء. نحصل نحن البشر على الشبكية بشكل أساسي من بيتا كاروتين، وهو بروفيتامين أ. ومع ذلك، لا تحتوي النباتات البرية على الشبكية، لكنها تحتوي على الكثير من بيتا كاروتي”.
في عام 2021، نجح جاو في الجمع بين التعبير عن رودوبسين القناة وإنتاج الشبكية من بيتا كاروتين في الخلايا النباتية.
سمح هذا الاختراق بتطوير نباتات التبغ ذات المحتوى الشبكي العالي والتعبير الناجح عن رودوبسين القناة.
أكد الدكتور ماركوس كريشكي من وحدة علم الأيض الأساسية في قسم البيولوجيا الصيدلانية، برئاسة البروفيسور مارتن مولر في جامعة جيمس ماديسون في فورتسبورغ، المحتوى العالي من شبكية العين في مختلف نباتات التبغ المعدلة وراثيا.
تم إنتاج نباتات تبغ معدلة وراثيا قابلة للمقارنة للدراسة التي نشرت مؤخرا من قبل الدكتور ميكي دينج من قسم علم النبات 1، تحت إشراف عالم وظائف الأعضاء النباتية وخبير معالجة إشارات النبات الدكتور كاي كونراد، من مجموعة البروفيسور راينر هيدريش في علم النبات
1.تحدي تنشيط الضوء
كان التحدي الثاني يتعلق بتنشيط الضوء. وأوضح ناجل: “يتم تنشيط معظم الرودوبسينات بواسطة الضوء الأزرق أو الأخضر، ومع ذلك، فإن هذه الألوان هي مكونات للضوء الأبيض”.
وهذا يعني أن نباتات التبغ لا يمكن زراعتها في دفيئة أو تحت ظروف الضوء الأبيض الاصطناعي القياسية، لأن هذا من شأنه أن يؤدي عن غير قصد إلى تنشيط الرودوبسين.
وبدلاً من ذلك، كان لا بد من زراعة النباتات في غرف نمو خاصة مع ضوء LED الأحمر، وهو مفيد من الناحية الضوئية ولا يؤدي إلى تنشيط الرودوبسين.
وأشار كونراد إلى أن الاختبارات التي أجريت في ظل ظروف نمو مختلفة أظهرت أن التبغ ينمو بشكل صحي ودون تغيير تحت الضوء الأحمر مقارنة بظروف البيوت الزجاجية.
الرودوبسينات القنطرية في خلايا التبغ
كان التحدي الثالث هو صعوبة التعبير عن رودوبسين القناة في خلايا التبغ. في عام 2021، نجح فريق البحث في فورتسبورغ في التعبير عن قناة الأنيون المنشطة بالضوء GtACR1 في خلايا نبات التبغ.
ونتيجة لذلك، تمكن فريق ناجل من تطوير أنواع مختلفة من الرودوبسينات القنواتية المحسّنة لنفاذية أيونات الكالسيوم.
وفي نهاية المطاف، نجح شي تشيانج جاو وشانغ يانج، وكلاهما من مجموعة ناجل، في تطوير رودوبسين متقدم موصل للكالسيوم، يسمى XXM 2.0، خصيصًا للتعبير المستهدف في نباتات التبغ.
وقد شكل هذا إنجازًا كبيرًا: “إن التعبير الناجح عن الرودوبسينات القنطرية مع انتقائية أيونية مختلفة في الخلايا النباتية يسمح لنا بمقارنة إشارات أيونية مختلفة إلى جانب الإشارة الكهربائية، المعروفة باسم الاستقطاب”، كما أوضح ميكي دينج.
استخدمت قناة رودوبسين XXM 2.0 الموصلة للكالسيوم وقناة الأنيون المنشطة بالضوء GtACR1 للتحقيق في مسارات إشارات الأيونات المختلفة في التبغ.
نباتات التبغ الضوئية الوراثية
وقد مكنت نباتات التبغ “الضوئية الوراثية” التي تم إنشاؤها حديثًا الباحثين من الإجابة على السؤال حول ما إذا كان تدفق الكالسيوم أو استقطاب الغشاء أكثر أهمية لاستجابة النبات لموقف إجهاد محدد. وقال كونراد: “كانت الإجابة واضحة”.
وأضاف دينج: “بعد تنشيط قناة الأنيون، ذبلت الأوراق وأظهرت الاستجابة النباتية النموذجية للجفاف؛ حيث تم إنتاج هرمون النبات حمض الأبسيسيك (ABA)، وتم زيادة التعبير الجيني للحماية من الجفاف”.
“ومع ذلك، في النباتات التي تحتوي على قنوات الكالسيوم، لم يكن هناك تغيير في مستويات حمض الأبسيسيك بعد التحفيز البصري الوراثي.”
“وبدلاً من ذلك، أنتجت النباتات جزيئات إشارة وهورمونات نباتية لتحفيز آليات الدفاع ضد الحيوانات المفترسة، كما يتضح من البقع البيضاء على الأوراق”، كما قال كونراد.
عصر جديد في أبحاث النبات
وأظهر الدكتور سونكي شيرزر من كرسي البروفيسور هيدريش من خلال قياسات مباشرة أن أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS) تم إطلاقها أثناء هذه العملية.
قام ديرك بيكر ورينر هيدريش في Botany 1 بتصميم نهج تجريبي باستخدام التحليل النسخي والتحليل الحيوي المعلوماتي لدعم الفرضية العاملة.
يعتقد الباحثون أن هذه الدراسة تمثل بداية عصر جديد في أبحاث النباتات.
ويعتقدون أنه بمساعدة أنواع مختلفة من الرودوبسين، يمكن الآن “إضاءة” مسارات الإشارات في النباتات بشكل أكثر شمولاً.
