أصول البطاطا الغامضة تكشف عن علاقة بالطماطم

بدأت البطاطا المتواضعة في العصر الحديث، التي تم تدجينها لأول مرة منذ حوالي 10,000 سنة، في جبال الأنديز قبل أن تصبح محصولاً رئيسياً يعتمد عليه العالم. ولكن نظرًا لأن النباتات لا تُحفظ بشكل جيد في السجل الأحفوري، فقد ظل سلالتها غامضة إلى حد كبير.

والآن، قام فريق من علماء الأحياء التطورية وعلماء الجينوم بتتبع أصول هذه النبتة النشوية الأساسية إلى لقاء بالصدفة منذ ملايين السنين مع نبات غير متوقع: الطماطم.

قام الباحثون بتحليل 450 جينومًا من أنواع البطاطا المزروعة والبرية، وكشفت الجينات أن سلفًا قديمًا لنبات الطماطم البرية تزاوج بشكل طبيعي مع نبات شبيه بالبطاطا يسمى إيتوبروسوم قبل 9 ملايين سنة، أو تزاوج بيني حيث أن كلا النباتين قد انفصل في الأصل عن نبات سلف مشترك منذ حوالي 14 مليون سنة، وفقًا لدراسة نُشرت يوم الخميس في مجلة سيل.

وفي حين لم يكن لدى أي من الطماطم أو الإيتوبروسوم القدرة على إنماء الدرنات، وهي الجزء المتضخم الصالح للأكل من النباتات المستأنسة مثل البطاطا الحلوة والطروس التي تنمو تحت الأرض، إلا أن النبات الهجين الناتج عن ذلك كان لديه القدرة على ذلك. وقد تطورت الدرنات كطريقة مبتكرة لنبات البطاطا لتخزين المواد الغذائية تحت الأرض مع ازدياد برودة المناخ والبيئة في جبال الأنديز، وبمجرد زراعتها، أصبحت دعامة غذائية أساسية للبشر. ويوجد الآن أكثر من 100 نوع من البطاطا البرية التي تنمو فيها الدرنات أيضًا، على الرغم من أنها ليست كلها صالحة للأكل لأن بعضها يحتوي على سموم.

وقال المؤلف المشارك في الدراسة سانوين هوانغ، رئيس الأكاديمية الصينية للعلوم الزراعية الاستوائية والأستاذ في معهد علم الجينوم الزراعي في شينزين بالأكاديمية الصينية للعلوم الزراعية، في بيان: "إن تطور الدرنات أعطى البطاطس ميزة كبيرة في البيئات القاسية، مما أدى إلى انفجار أنواع جديدة وساهم في التنوع الغني للبطاطس الذي نراه ونعتمد عليه اليوم". "لقد حللنا أخيرًا لغز مصدر البطاطس."

كما فك العلماء أيضًا شفرة الجينات التي زودت بها كل نبتة لتكوين الدرنات في المقام الأول. إن فهم كيفية نشأة البطاطس وتطورها يمكن أن يساعد العلماء في نهاية المطاف على تربية بطاطس أكثر مرونة ومقاومة للأمراض والظروف المناخية المتغيرة.

الحفر في لغز البطاطا الدائم

{{MEDIA}}

تنتمي كل من البطاطا والطماطم والإتوبروسوم إلى جنس الباذنجان، الذي يضم حوالي 1500 نوع، وهو أكبر جنس في عائلة النباتات المزهرة الباذنجانية. للوهلة الأولى، تبدو نباتات البطاطس متطابقة تقريبًا مع نباتات الإيتوبروسوم، الأمر الذي دفع العلماء في البداية إلى الاعتقاد بأنهما شقيقتان جاءتا من سلف مشترك، كما قال المؤلف المشارك في الدراسة جيان كوان ليو، الأستاذ في كلية البيئة في جامعة لانتشو في قانسو بالصين.

تشمل نباتات الإيتوبروسوم ثلاثة أنواع فقط، وعلى الرغم من أن النباتات لها أزهار وأوراق مشابهة لأوراق نباتات البطاطا، إلا أنها لا تنتج درنات.

وقال الدكتور ساندي كناب، المؤلف المشارك في الدراسة وعالم النباتات الباحث في متحف التاريخ الطبيعي في لندن: "تعتبر نباتات الإيتوبروسوم شيئاً مميزاً. "إنها أشياء ربما لن تراها أبدًا إلا إذا ذهبت إلى جزر خوان فرنانديز، أو جزر روبنسون كروزو في وسط المحيط الهادئ، أو إذا كنت في غابات المعبد المطيرة في تشيلي."

لكن تخطيط سلالة البطاطس والطماطم والإيتوبروسوم كشف عن تجعد غير متوقع يبدو أنه يشير إلى أن البطاطس كانت أكثر ارتباطًا بالطماطم على المستوى الجيني، كما قال كناب.

قال ليو إن الفريق استخدم التحليلات السلالية، وهي عملية مشابهة لتحديد العلاقة بين الأبوين أو الأخت والأخت على المستوى الجيني لدى البشر، لتحديد العلاقات بين النباتات المختلفة.

أظهر التحليل تناقضًا: قال ليو إن البطاطس يمكن أن تكون أختًا لنباتات الإيتوبروسوم أو الطماطم، اعتمادًا على العلامات الوراثية المختلفة.

قال كناب إن السلف المشترك الذي يبلغ عمره 14 مليون عام للطماطم والإيتوبروسومات، والنباتات التي تفرعت عنها، لم تعد موجودة و"ضاعت في ضباب الزمن الجيولوجي". وبدلاً من ذلك، بحث الباحثون عن علامات وراثية داخل النباتات لتحديد أصولها.

وقال كناب: "ما نستخدمه هو إشارة جاءت من الماضي، والتي لا تزال موجودة في النباتات التي لدينا اليوم، لمحاولة إعادة بناء الماضي".

ولتتبع تلك الإشارة عبر الزمن، قام الباحثون بتجميع قاعدة بيانات وراثية للبطاطا، بما في ذلك النظر في عينات المتحف وحتى استرجاع البيانات من البطاطا البرية النادرة التي يصعب العثور عليها، حيث يوجد بعضها في وادٍ واحد فقط في جبال الأنديز، كما قال كناب.

قال المؤلف المشارك في الدراسة تشيانغ تشانغ، الباحث في معهد الجينوم الزراعي في شينزين بالأكاديمية الصينية للعلوم الزراعية، في بيان: "من الصعب جدًا أخذ عينات من البطاطس البرية، لذا فإن مجموعة البيانات هذه تمثل أشمل مجموعة من البيانات الجينية للبطاطس البرية التي تم تحليلها على الإطلاق".

خريطة طريق جينية مكتوبة بالصدفة

{{MEDIA}}

كشف البحث أن البطاطا الأولى، وكل أنواع البطاطا اللاحقة، تضمنت مزيجًا من المواد الوراثية المشتقة من نباتات الإيتوبروسوم والطماطم.

وقال ليو إن التغيرات المناخية أو الجيولوجية تسببت على الأرجح في تعايش الإيتوبيروسوم القديم مع سلف الطماطم في نفس المكان.

وبالنظر إلى أن كلا النوعين يتم تلقيحهما عن طريق النحل، فإن السيناريو المحتمل هو أن نحلة ما نقلت حبوب اللقاح بين النباتين وأدت إلى نشأة البطاطا، كما قالت إيمي تشاركسوفسكي، الباحثة المشاركة في كلية العلوم الزراعية بجامعة ولاية كولورادو. لم تشارك تشاركويسكي في البحث الجديد.

قال ليو إن جانب الطماطم زود "المفتاح الرئيسي" الجين SP6A، الذي أخبر نبات البطاطس بالبدء في صنع الدرنات، بينما كان الجين IT1 من جانب الإيتوبروسوم يتحكم في نمو السيقان تحت الأرض التي شكلت الدرنات النشوية. ووفقًا للباحثين، لو كان أي من الجينينين مفقودًا أو لم يكن يعمل بشكل متناغم، لما شكلت البطاطس درنات أبدًا.

قال كناب: "أحد الأشياء التي تحدث في التهجين هو أن الجينات تختلط". "الأمر يشبه خلط أوراق اللعب مرة أخرى، وتظهر أوراق مختلفة في مجموعات مختلفة. ولحسن الحظ بالنسبة لحدث التهجين هذا بالتحديد، فقد اجتمع نوعان من الجينات معًا، مما أوجد القدرة على التدرن، وهذا حدث بالصدفة."

تزامن تطور البطاطا الدرنية مع الوقت الذي كانت فيه جبال الأنديز ترتفع بسرعة بسبب التفاعلات بين الصفائح التكتونية، مما خلق عمودًا فقريًا ضخمًا أسفل الجانب الغربي من أمريكا الجنوبية، كما قال كناب. وجبال الأنديز هي سلسلة جبال معقدة تضم العديد من الوديان ومجموعة من النظم البيئية.

وتحب الطماطم الحديثة البيئات الجافة والحارة، بينما تفضل الطماطم الإيتوبيروسومز الفضاء المعتدل. لكن سلف نبات البطاطا تطوّر ليزدهر في الموائل الجافة والباردة والعالية الارتفاع التي ظهرت عبر جبال الأنديز، حيث مكّنت الدرنة من البقاء على قيد الحياة في نهاية المطاف، بحسب كناب. يمكن للبطاطا أن تتكاثر دون الحاجة إلى البذور أو التلقيح. وأدى نمو الدرنات الجديدة إلى نمو نباتات جديدة، وكان بإمكانها أن تزدهر في بيئات متنوعة.

ابتكار بطاطا صلبة لمستقبل غير مضمون

{{MEDIA}}

وفقًا للدراسة، تعد البطاطا المزروعة التي نستهلكها اليوم ثالث أهم محصول أساسي في العالم حاليًا، وهي مسؤولة مع القمح والأرز والذرة عن 80% من السعرات الحرارية التي يستهلكها الإنسان.

ويمكن أن يكون فهم قصة أصل البطاطا هو المفتاح لتربية المزيد من الابتكار في البطاطا في المستقبل؛ فإعادة إدخال جينات الطماطم الرئيسية يمكن أن يؤدي إلى بطاطا سريعة التكاثر بالبذور، وهو أمر يقوم هوانغ وفريقه في الأكاديمية الصينية للعلوم الزراعية بتجربته.

وقال كناب إن المحاصيل الحديثة تواجه ضغوطًا من التغير البيئي وأزمة المناخ والآفات والأمراض الجديدة.

وقال كناب إن بذور البطاطس ذات أهمية لأنها قد تكون أكثر تنوعًا وراثيًا ومقاومة للأمراض والمخاطر الزراعية الأخرى. ينتج عن التكاثر النباتي للبطاطس، أي تقطيع البطاطس إلى قطع وزراعتها لإنتاج محصول، بطاطس متطابقة وراثيًا يمكن القضاء عليها إذا ظهر مرض جديد.

وأضافت أن دراسة الأنواع البرية التي واجهت مثل هذه التحديات وتطورت استجابةً لها يمكن أن تكون حاسمة أيضًا.

يهتم مختبر شاركوفسكي بكيفية مقاومة البطاطس البرية للأمراض، ولماذا تصيب بعض الآفات والأمراض النباتية البطاطس أو الطماطم فقط.

قالت شاركوفسكي: "بالإضافة إلى مساعدتنا في فهم تطور البطاطس وتطور درنات البطاطس، يمكن للطرق المستخدمة (في هذه الدراسة) أن تساعد الباحثين أيضًا في التعرف على سمات أخرى، مثل مقاومة الأمراض والحشرات، والتغذية، وتحمل الجفاف، والعديد من الصفات النباتية المهمة الأخرى في البطاطس والطماطم".

وقالت إن البطاطا تظل محصولاً مهماً في المناطق القاحلة أو المناطق ذات الصيف القصير والارتفاعات العالية، وهي أماكن لا تنمو فيها المحاصيل الرئيسية الأخرى.

كما تُظهر النتائج أيضًا البطاطس في ضوء مختلف: نتيجة التقاء شخصين مختلفين جدًا بالصدفة، كما قالت الدكتورة تينا ساركينن، المؤلفة المشاركة في الدراسة وخبيرة الباذنجان في الحديقة النباتية الملكية في إدنبرة.

وقالت: "هذا في الواقع أمر رومانسي للغاية". "إن أصل العديد من أنواعنا ليس قصة بسيطة، ومن المثير للغاية أنه يمكننا الآن اكتشاف هذه الأصول المتشابكة والمعقدة بفضل ثروة البيانات الجينومية."