نباتات ذكية.. بروتين واحد يتحكم في النمو والإزهار في ظروف مناخية متقلبة

لا تستطيع النباتات الهروب من التحديات. بمجرد أن ينبت البذرة، تظل جذورها ثابتة في مكانها طوال حياتها.

تأتي الحرارة والبرودة والجفاف وتغير المواسم بشكل مفاجئ. تعتمد قدرة النبات على البقاء على نموه أو التوقف أو التكاثر في الوقت المناسب على التكيف مع هذه الظروف.

أظهرت دراسة جديدة من جامعة بنسلفانيا كيف يدير بعض النباتات هذا التوازن على المستوى الخلوي، مستخدمة نفس الإشارة لتحفيز أفعال مختلفة في أجزاء مختلفة من النبات، ويساعد هذا الاكتشاف على فهم مرونة النباتات وقد يقود إلى إنتاج محاصيل أقوى في ظل تغير المناخ.

الدراسة منشورة في مجلة Science.

اختيار توقيت الإزهار

يواجه كل نبات خيارًا مهمًا خلال موسم النمو، أحد الخيارات هو الإزهار سريعًا، إنتاج البذور، والتوقف عن النمو، تتبع محاصيل مثل الأرز هذا النهج. وبمجرد أن يتحول الساق الرئيسي إلى زهرة، لا تتشكل أوراق أو فروع جديدة، تعمل هذه الطريقة جيدًا عندما تبقى المواسم متوقعة.

خيار آخر أبطأ لكنه أكثر أمانًا، تستمر نباتات مثل Arabidopsis في النمو بينما تنتج أزهارًا على جانبي الساق، يظل طرف النبات نشطًا ويواصل النمو لأسابيع أو حتى أشهر، يسمى هذا النمط من النمو “غير محدد”.

“إذا تغيرت فترة الظروف المثالية خلال الموسم، فإن الإزهار المستمر يزيد فرص إنتاج بعض البذور على الأقل”، وفقًا لما ذكرته المؤلفة المشاركة للدراسة، دوريس فاجنر، عالمة نباتات.

لفترة طويلة، لم يعرف العلماء كيف يمكن لنبات واحد أن يزهر في أماكن معينة ويمنع الإزهار في أماكن أخرى، حتى عندما تتلقى جميع الأجزاء نفس الإشارات البيئية.

داخل مركز التحكم في النبات

يكمن الجواب في هيكل صغير يسمى “نقطة نمو الساق القمي” (Shoot Apical Meristem). يحتوي هذا الجزء في طرف النبات على خلايا جذعية تحافظ على استمرار النمو، تبدأ منه الأوراق والسيقان والأزهار.

مع زيادة طول النهار وارتفاع درجات الحرارة، تنتج النباتات بروتينًا صغيرًا يسمى فلورجين (Florigen) أو FTيتحرك هذا البروتين في النبات ويخبر الخلايا بالبدء في الإزهار.

في العديد من النباتات، يحول FT الطرف القمي للنبات إلى زهرة، مما ينهي النمو تمامًا.

ركزت فاجنر وزملاؤها على النباتات غير المحددة، حيث لا يحدث هذا التحول، واكتشفوا أن الطرف القمي يستجيب لـ FT بشكل مختلف عن باقي أجزاء النبات.

في الطرف القمي، ينشط بروتين آخر يسمى TFL1، الذي يمنع الإزهار ويحمي الخلايا الجذعية، مع ارتفاع مستويات FT، ترتفع مستويات TFL1 أيضًا، ولكن فقط في الطرف القمي، يحافظ هذا على استمرار النمو بينما تزهر بقية أجزاء النبات.

بروتين واحد، وظيفتان

فحصت الدراسة أيضًا بروتينًا ثالثًا يسمى LEAFY أو LFY في معظم أجزاء النبات، يستجيب LFY لـ FT بتفعيل جينات الإزهار، فتتشكل الأزهار على جانبي الساق.

في الطرف القمي، يتصرف LFY بشكل مختلفن ترتفع مستوياته هناك، لكن الإزهار لا يبدأ، بدلًا من ذلك، ينشط LFY بروتين TFL1 ، “ومن المثير للدهشة، لاحظنا أن LFY في الطرف القمي ينشط TFL1”، قالت فاجنر “ويشكلان حلقة تغذية راجعة سلبية.”

تعمل هذه الحلقة مثل الترموسات، ترفع الإشارات القوية للإزهار مستويات LFY، التي تعزز بدورها TFL1 ثم يدفع TFL1 مستويات LFY للانخفاض مجددًا، هذا التوازن يحافظ على الطرف القمي تحت نقطة بدء الإزهار، مما يحافظ على استقراره حتى مع تغير الطقس بسرعة.

حماية مدمجة ضد الأخطاء

لاختبار فعالية هذا النظام، تعاون فريق البحث مع خبراء النمذجة الرياضية.

أظهرت النماذج أن حلقة LFY-TFL1 تبقى مستقرة تحت ظروف مختلفة، لا تؤدي موجات الحرارة القصيرة أو طول النهار الممتد إلى تحفيز الإزهار عن طريق الخطأ في الطرف القمي.

“هذا يضمن أن الطرف القمي لا يتحول إلى زهرة حتى مع تباين الإشارات”، وفقًا لتيان هوانغ، المؤلف المشارك.

يسمح هذا الاستقرار للنباتات بالاستمرار في النمو بينما تنتج الأزهار على مدى فترة طويلة، مما يزيد فرص إنتاج البذور عند تحسن الظروف.

ما يعنيه ذلك للمحاصيل المستقبلية

تتجاوز هذه النتائج الدروس البيولوجية الأساسية، يجلب تغير المناخ مواسم غير متوقعة، وموجات حر، وتغيرات في الأمطار، قد تواجه المحاصيل التي تزهر مرة واحدة صعوبة في هذه الظروف.

فهم كيفية تفاعل هذه البروتينات قد يساعد العلماء على تطوير محاصيل تنمو لفترة أطول وتتكيف بشكل أفضل مع البيئات المتغيرة.

“لا ينبغي أن يكون الرد على تغير المناخ تحويل المزيد من الأراضي الطبيعية إلى أراضٍ زراعية”، تؤكد فاجنر، “يجب التركيز على استخدام الأراضي الزراعية الحالية بكفاءة أكبر.”

بتعلم طرق النباتات الطبيعية في موازنة النمو والتكاثر، يمكن أن تصبح الزراعة أكثر مرونة دون توسيع مساحة الأراضي المزروعة.