سر تطور الشوكات: كيف تحمي الورود والنباتات نفسها

أهمية الشوكات في النباتات

بالإضافة إلى كونها رمزًا للحب والرومانسية، تشتهر الورود عادةً بأشواكها الحادة - وهي عبارة عن شوكات تبرز من السيقان لدرء الحيوانات التي تتطلع إلى نهش البراعم.

وهي ليست النبتة الوحيدة التي تمتلك هذه الآلية الدفاعية: فالزهور الأخرى مثل أزهار العنكبوت أو العليق، الشجيرة المزهرة المسؤولة عن التوت الأسود، تحمل هذه النقاط الحادة، وكذلك بعض نباتات المحاصيل مثل الطماطم والباذنجان والشعير والأرز.

ولكن كيف يمكن لجميع هذه الأنواع، التي تطور الكثير منها بشكل منفصل على مدى ملايين السنين، أن تحمل نفس السمة الشوكية؟ توصل فريق من الباحثين الدوليين إلى أن الإجابة تكمن في الحمض النووي الخاص بها، حيث تتبعوا الأصل إلى عائلة جينية قديمة واحدة مسؤولة عن الأشواك في جميع هذه الأنواع، وفقًا لدراسة جديدة نُشرت يوم الخميس في مجلة Science.

تطور الشوكات عبر الزمن

يقول الخبراء إن هذه النتائج لا تفتح الباب أمام العلماء الذين يتطلعون إلى ابتكار متغيرات خالية من الشوكات فحسب، بل توفر أيضًا نظرة ثاقبة للتاريخ التطوري لجنس شديد التنوع من النباتات.

على عكس ما تشير إليه مراجع الثقافة الشعبية، لا تحتوي الورود على أشواك، وهي النقاط الخشبية الحادة في بعض الشجيرات والأشجار، بما في ذلك الجراد العسلي وأشجار الحمضيات. وبدلاً من ذلك، تحتوي الأزهار على شوكات تتشكل من جلد النبات، على غرار كيفية نمو الشعر.

كانت الأشواك موجودة منذ 400 مليون سنة على الأقل، ويعود تاريخها إلى ظهور السراخس وأقاربها مع وجود بعض الأشواك على سيقانها. وقد ظهرت هذه السمة منذ ذلك الحين - واختفت - في مراحل مختلفة من الزمن التطوري، كما قال زاكاري ليبمان، المؤلف المشارك في الدراسة، عالم الأحياء النباتية وأستاذ علم الوراثة في مختبر كولد سبرينغ هاربور في لونغ آيلاند، نيويورك.

أحد أكثر الأجناس النباتية تنوعًا، والمعروف باسم الباذنجان، والذي يشمل محاصيل مثل البطاطس والطماطم والباذنجان، اكتسبت أول مرة وخزات قبل 6 ملايين سنة. واليوم، يحتوي هذا الجنس على أكثر من 1000 نوع يظهر في جميع أنحاء العالم، ويشار إلى حوالي 400 نوع منها باسم "السولانوم الشوكي" بسبب وخزاتها، وفقًا لجامعة يوتا.

عندما تظهر سمة مشتركة، مثل الوخزات، بشكل مستقل عبر سلالات وأنواع مختلفة، يُعرف ذلك بالتطور المتقارب، ويحدث عندما تتكيف الأنواع بشكل متشابه مع احتياجات بيئية معينة. وقال ليبمان، وهو أيضًا باحث في معهد هوارد هيوز الطبي، إن الأجنحة هي مثال آخر على سمة تطورت بهذه الطريقة بين أنواع مختلفة من الطيور، وكذلك الحيوانات الأخرى مثل الخفافيش وحتى بعض أنواع السناجب التي لديها بنية تشبه الأجنحة.

التطور المتقارب في النباتات

ووفقاً للدراسة، فإن الأشواك هي وسيلة دفاع متطورة ضد الحيوانات العاشبة - الحيوانات التي تأكل النباتات - ويمكن أن تساعد أيضاً في النمو ومنافسة النباتات والاحتفاظ بالمياه. لم يكن معروفاً في السابق ما الذي جعل السرخس والنباتات الأخرى غير ذات الصلة تنمو فيها الأشواك. أما الآن، فقد وجد مؤلفو الدراسة أن عائلة جينية قديمة تُعرف باسم Lonely Guy، أو LOG، كانت بمثابة حارس البوابة لهذه السمة، حيث تقوم بتشغيلها وإيقافها في أنواع مختلفة عبر ملايين السنين.

من خلال إزالة الوخزات من أنواع مختلفة، بما في ذلك الورود والباذنجان، وجد المؤلفون أن جين LOG كان مسؤولاً عن الوخزات في حوالي 20 نوعًا من النباتات التي تمت دراستها. وقال ليبمان إن الجينات المرتبطة بـ LOG موجودة في جميع النباتات، حتى أنها تعود إلى الطحالب، التي تعتبر أول نباتات الأراضي الجافة. وتعد هذه الجينات مسؤولة عن تنشيط هرمون يعرف باسم السيتوكينين وهو مهم للوظائف الأساسية للنبات على المستوى الخلوي، بما في ذلك انقسام الخلايا وتمددها، والذي يؤثر بدوره على نمو النبات.

"لا يعني ذلك أنه كان هناك سلف مشترك واحد لديه شوكات، ثم انتشر على مدى 400 مليون سنة إلى كل هذه الأسلاف الأخرى، ثم فُقدت بشكل متقطع. في الواقع، ما يبدو أنه يبدو أنها اكتسبت بسهولة في سلالات مختلفة". "والسؤال المطروح الآن هو، كم مرة لا يقتصر التطور المتقارب على السمة التي نراها، بل على الجينات الكامنة وراء هذه السمة؟

وأضاف: "أعتقد أن دراستنا هي الأولى على الأرجح التي تُظهر حقًا قوة هذه الأدوات (التسلسل الجيني والجينوم) لتغطية هذه المسافة التطورية الواسعة لطرح هذا السؤال الكلاسيكي للغاية حول التطور المتقارب في التطور الحيوي للنباتات أو الحيوانات."

يضيف هذا الاكتشاف أداة قيّمة للباحثين الذين يبحثون في مدى الحماية التي توفرها الشوكات ضد الحيوانات العاشبة. وقال تايلر كوفرديل، الأستاذ المساعد في العلوم البيولوجية في جامعة نوتردام الذي لم يكن مشاركاً في الدراسة الجديدة، إن هذا المستوى من الدفاع كان من الصعب تقييمه في السابق لأن إزالة الشوكات يدوياً من النباتات التي نمت بالفعل - لاختبار ما إذا كانت أكثر عرضة للخطر بدونها - يضر بالأنسجة ويمكن أن يضر بصحة النباتات.

قال كوفرديل في رسالة بالبريد الإلكتروني: "من خلال القضاء على الوخزات بطفرات جينية مستهدفة، يمكننا أن نفهم بشكل كامل الدور البيئي للدفاعات النباتية المادية". "الشوكات هي تطور تطوري رئيسي يسمح للنباتات بمقاومة آكلة الأعشاب، وهذا هو سبب وجود العديد من نباتات السولانوم الشوكية في المناطق التي كانت تاريخياً ذات تنوع كبير من آكلات الأعشاب. وبدون هذا الابتكار الرئيسي، من الممكن أن تكون السولانوم أكثر تقييدًا في نطاقها وتنوعها."

تطبيقات الزراعة وتحسين المحاصيل

قال ليبمان إنه قبل هذا الاكتشاف، كانت هناك طريقة أخرى لإزالة الأشواك من النباتات تتمثل في محاولة تكاثر النبات بنوع آخر فقد أشواكها بشكل طبيعي، ولهذا السبب توجد بعض أنواع الورد بدون أشواك اليوم.

ولكن الآن بعد أن تم تحديد الجين المسؤول عن الشوكات، يمكن للعلماء إزالة الشوكات باستخدام تقنيات تحرير الجينوم مثل CRISPR، وهي طريقة يستخدمها العلماء لتعديل الحمض النووي للكائنات الحية. وقال كوفرديل إن التعديل الجيني المستهدف يمكن أن يخلق المزيد من الاختلافات بسهولة وله تداعيات أقل على نمو النبات وإنتاج الثمار.

قالت فيفيان أيريش، عالمة الأحياء النباتية والأستاذة في قسم البيولوجيا الجزيئية والخلوية والنمائية في جامعة ييل: "لا تخبرنا هذه الدراسة بالمزيد عن تطور الوخزات على وجه التحديد فحسب، بل تزودنا أيضًا برؤى حول آليات كيفية هندسة مسارات نمو النباتات لتحسين الزراعة". لم تكن أيريش جزءًا من الدراسة الجديدة ولكنها كانت المؤلفة الرئيسية لدراسة أجريت عام 2020 والتي وجدت أن الأشواك تنمو على النباتات من خلال نشاط الخلايا الجذعية.

"(جينات الأشواك) تم اختيارها مرارًا وتكرارًا (تحول بيولوجي في وظيفة السمة) في أنواع نباتية مختلفة لتكوين الأشواك، كما تم فقدانها مرارًا وتكرارًا في السلالات التي فقدت فيها الأشواك. قد يكون (ج) الاختيار في العديد من المستويات المختلفة هو القاعدة العامة للطبيعة، وقد يعكس هذا الابتكار في العديد من الحالات إعادة استخدام الجينات القديمة بطرق جديدة".

بالنسبة للأغراض الزراعية، فإن إزالة الوخز يمكن أن يجعل الحصاد أسهل ويمهد الطريق لإدخال المنتجات الأقل شهرة إلى متاجر البقالة.

ومن الأمثلة التي يستخدمها المؤلفون الزبيب الصحراوي، وهو توت يزرع على شجيرات شائكة موطنها أستراليا. وقال ليبمان إنه مع إزالة الأشواك، يمكن زراعة التوت بسهولة أكبر بكثير وسيكون أكثر شبهاً بالتوت الشائع في متاجر البقالة مثل التوت الأزرق والفراولة.

"قال ليبمان: "يتعلق الأمر حقًا بالحصول على المزيد من المعرفة. وفهم مدى أهمية الطفرات في إعطائنا الطعام الذي نأكله على النطاق الذي نتناوله، ومعرفة أن هناك المزيد من الإمكانات المتاحة. "كلما فهمنا أكثر تحت غطاء المحرك، كلما أتيحت لنا الفرصة لتعديل النظام، أو المحرك، إذا صح التعبير، لجعله يعمل بشكل أفضل."