سرخس الشوكي: أكبر جينوم نباتي

أكبر جينوم معروف في النباتات

لن تعرف ذلك من خلال النظر إليها، ولكن بعض النباتات لديها حمض نووي أكثر بكثير من غيرها. وربما الأمر الأكثر إثارة للحيرة هو أن بعضها يمتلك حمض نووي أكثر بكثير من معظم الحيوانات - بما في ذلك البشر. والآن، يكشف العلماء عن أمثلة أكثر تطرفًا من أي وقت مضى لظاهرة الجينوم العملاق هذه حتى مع بقاء وجودها لغزًا.

الاكتشاف الجديد في سرخس كاليدونيا الجديدة

فقد حدد بحث جديد أكبر جينوم معروف لأي كائن حي في سرخس متواضع موجود في كاليدونيا الجديدة، وهي سلسلة جزر في جنوب المحيط الهادئ. ووفقاً للدراسة، يحتوي النبات النادر على 160 مليار زوج من الأزواج القاعدية، وهي الوحدات المقترنة التي تشكل خيوط الحمض النووي. وعلى سبيل المقارنة، يتكون الجينوم البشري من 3 مليارات زوج من الحمض النووي فقط.

تصريحات عالم الأحياء التطوري

قال عالم الأحياء التطوري جاومي بيليسير، الباحث في معهد برشلونة النباتي في إسبانيا والمؤلف المقابل للدراسة التي نُشرت في 31 مايو في مجلة Cell: "يمكن للأشياء الصغيرة المتواضعة أن تخفي أحد أكثر الأسرار المذهلة في الداخل".

خصائص الجينومات الضخمة

الجينومات الضخمة نادرة أيضًا. فوفقًا لبيليسر، من بين 12000 جينوم نباتي موثق أو نحو ذلك، فإن جميع الجينومات النباتية الموثقة باستثناء نصف دزينة منها أصغر حجمًا على الأقل من جينوم السرخس الشوكي المسمى Tmesipteris oblanceolata، الذي تم وصفه في الورقة البحثية.

قال بيليسر: "إن حدود علم الأحياء موجودة هناك ليتم اكتشافها". يجب أن يعرف ذلك - فهو يستمر في الكشف عنها.

مقارنة مع الجينومات السابقة

فقبل هذه الدراسة، كان أكبر جينوم معروف لأي فطر أو نبات أو حيوان ينتمي إلى زهرة باريس جابونيكا، وهو صاحب أكبر جينوم معروف لأي فطر أو نبات أو حيوان، وهو صاحب 149 مليار زوج قاعدي (أزواج جيغاباز، أو Gbp).

كان بيليسر جزءًا من الفريق الذي كشف عن اكتشاف P. japonica في دراسة أجريت في سبتمبر 2010. كما شارك أيضًا في تأليف ورقة بحثية في مايو 2017 افترض فيها أن 150 جيجا بايت هو الحد الأعلى لأحجام الجينوم. والآن، أثبت أنه على خطأ.

أهمية البحث عن الجينومات العملاقة

قال بيليسر: "إن الاهتمام الرئيسي لهذا المشروع ليس العثور على رقم قياسي لحجم الجينوم في النباتات، لكي نكون صادقين". "نحن نريد أن نبحث في حالات مختلفة من العملاق الجينومي."

تحليل الجينوم والتكرار الجيني

من المعروف أن السرخس لديها جينومات متكررة بشكل كبير. بعد تحليل العينات ذات الصلة من نيوزيلندا وتسمانيا، ركز بيليسر على سرخس الشوكة الكاليدونية الجديدة كهدف محتمل مثير للاهتمام للدراسة.

في مايو 2023، قام هو وفريقه بجمع عينات من هذا النبات الضئيل في البرية وأعادوها إلى المختبر، حيث قارنوا جينوم السرخس بأنواع معروفة بحجم الجينوم.

تكوين الجينوم في السرخس الشوكي

قد تكون كمية الحمض النووي في جينوم السرخس الشوكي العملاق أكبر من جينوم الإنسان بأكثر من 50 مرة، لكن هذا لا يجعل السرخس أكثر تعقيدًا أو يعني أن السرخس لديه جينات أكثر. وقدر بيليسر أن حوالي 1% فقط من جينوم السرخس عبارة عن جينات تشفر البروتينات. أما البقية فهي عبارة عن تسلسلات متكررة غير وظيفية لطالما اعتُبرت "حمض نووي غير مرغوب فيه"، على الرغم من أن العلماء يعرفون الآن أنها ليست في الواقع غير مرغوب فيها. يمكن أن يؤثر الكثير من هذا الهراء الجيني على كيفية عمل الجينات.

ولا تزال الطريقة التي جمعت بها السرخس هذا العدد الكبير من الأزواج القاعدية لغزاً لم يُحل بعد. وبحسب بيليسر، فإن ما يمكن أن يكون له دور في هذا الأمر هو مزيج من تعدد الصبغيات الصبغية المتفشي - أو وجود أكثر من مجموعتين من الكروموسومات، وهو أمر شائع في النباتات، ولكن ليس في الحيوانات - وتراكم تسلسلات الحمض النووي غير المشفرة القادرة على تكرار نفسها والتحرك حول الجينوم.

العوامل المؤثرة في حجم الجينوم

وقال خبير السرخس إريك شوتبلز، عالم النباتات الباحث والأمين في قسم علم النبات في معهد سميثسونيان: "السؤال الأكثر إثارة للاهتمام الذي لم تتمكن الدراسة من الوصول إليه هو لماذا يصبح (الجينوم) بهذا الحجم، وكيف يمكن للسراخس تحديداً التعامل مع عواقب وجود مثل هذا الجينوم الكبير غير الضروري". لم يتعاون في هذا البحث. "يبدو أن السرخس سيئ للغاية في التخلص من الحمض النووي المتكرر والكروموسومات الزائدة."

تحديات الجينومات الكبيرة

الجينومات فائقة الحجم ليست مفيدة، كما اتضح. ويوضح الخبراء أن تضخم الجينوم، أو سمنة الجينوم، غير فعالة للغاية. يتطلب الأمر الكثير من الطاقة والعناصر الغذائية لإنتاج الكثير من الحمض النووي. معظم النباتات لديها جينومات أصغر بكثير، مما يسمح لها بالتكاثر بشكل أسرع، وإنتاج المزيد من النسل والتكيف بسرعة أكبر مع البيئة. قال شوتبلز إن الاضطرار إلى نسخ مثل هذه الكمية الكبيرة من المادة الوراثية في كل مرة تنقسم فيها الخلية، "إنه أمر جنوني".

استمرارية النباتات ذات الجينوم الكبير

قال ديفيد باوم، أستاذ علم النبات في جامعة ويسكونسن ماديسون الذي لم يشارك في الدراسة، إنه أمر محير كيف يمكن للنباتات ذات الجينوم غير العملي أن تستمر في البقاء على قيد الحياة.

العلاقة بين حجم الجينوم والانقراض

يعتقد بيليسر وزملاؤه أن حجم الجينوم قد يؤثر على فرص النبات في الانقراض. ويركز الفريق حالياً على الأبحاث التي تشير إلى أن الأنواع النباتية ذات الجينوم الكبير ممثلة تمثيلاً زائداً في القائمة الحمراء للنباتات المهددة بالانقراض التي وضعها الاتحاد الدولي لحفظ الطبيعة، وتحليل ما إذا كان حجم الجينوم يمكن أن يساعد علماء الحفاظ على البيئة في تحديد النباتات التي يحتمل أن تكون مهددة بالانقراض.

احتمالات اكتشافات مستقبلية

هل يمكن أن يكون هناك نبات ذو جينوم أكبر من السرخس الشوكي؟ ربما.

توقعات حول الجينومات الأكبر

قال بيليسر: "لن أتلاعب بالحدود البيولوجية بعد الآن". "من المفترض أن يتم كسرها."

أماندا شوباك صحفية في مجال العلوم والصحة في مدينة نيويورك.