قاعدة بيانات جديدة تكشف أسرار الفاكهة الحمراء
قد تتمتع الطماطم البرية المزروعة في أمريكا الجنوبية بمزايا وراثية معينة مقارنة بالطماطم التي نعرفها - على سبيل المثال، السمات المتعلقة بالطعم أو الرائحة أو مقاومة الآفات. يمكن للمزارعين الذين يتطلعون إلى استعادة بعض سماتهم المفقودة للطماطم التي يزرعونها أن يعتمدوا الآن على قاعدة بيانات واسعة مخصصة بالكامل للفاكهة الحمراء، بما في ذلك الخرائط الجينية والتمثيل الغذائي لكل من الطماطم البرية والمزروعة.
قاعدة البيانات - أنشأها فريق بحث بقيادة البروفيسور. عساف الهاروني من معهد وايزمان للعلوم بالتعاون مع مجموعة بحث البروفيسور داني زمير من الجامعة العبرية في القدس وباحثين من مؤسسات أخرى - تم بناؤها على أساس 600 هجين تم إنشاؤها بواسطة مجموعة البروفيسور زمير بين الطماطم البرية من البيرو، سولانوم بينيلي, وبين الأصناف المزروعة الشائعة Solanum. أجرى العلماء خرائط جينية واستقلابية شاملة لمختلف السلالات الهجينة واستخدموا أدوات حسابية لتحديد أجزاء الجينوم، أو حتى الجينات الفردية، المسؤولة عن السمات المختلفة في كل سلالة. ستساعد قاعدة البيانات هذه الباحثين والمزارعين على إنشاء أصناف محسنة من الطماطم، وهي تساعد بالفعل علماء المعهد على كشف بعض الألغاز المتعلقة بالطماطم.
قصة حلوة
الطماطم الخضراء غالبا ما تكون مرة بسبب محتواها العالي من ألفا توماتين، وهي مادة سامة تحمي الطماطم من البكتيريا والفطريات وتضمن عدم أكل الحيوانات والطيور لها قبل الأوان. عند النضج، يصبح ألفا توماتين مستقلبًا غير مرير، لكن حتى الآن لم يكن معروفًا كيف يتم توقيت العمليتين - النضج والتحلية -. كما لم يعرف كيف أن المادة السامة لا تضر بالطماطم نفسها.
قامت الدكتورة يانا كازاتشكوفا، باحثة ما بعد الدكتوراه في مجموعة البروفيسور أهاروني، بدراسة هذه الأسئلة في مجموعة فريدة من الطماطم البرية التي تظل مرة حتى بعد نضجها. وافترض الباحثون، الذين اكتشفوا هذا التنوع في جبال الأنديز في التسعينيات، أن الطماطم مريرة بسبب الطفرات في الإنزيمات المسؤولة عن إنتاج ألفا توماتين. عندما قارنت الدكتورة كازاتشكوفا وزملاؤها جينوم الطماطم المرة مع جينوم الأصناف غير المرة، اكتشفوا أن الاختلاف بينهما متجذر بالفعل في طفرة - ولكن خلافا للاعتقاد، فإن الطفرة ليست في الجين الذي يشفر الانتقال من المر إلى الحلو، ولكن في الجين المسؤول عن البروتين الذي ينقل المواد داخل الخلية؛ أطلق الباحثون على هذا الجين اسم غوركي ("المرير" باللغة الروسية).
وللتأكد من أن الطفرة في الجين هي المسؤولة بالفعل عن الطعم المر للطماطم البرية، قامت الدكتورة كازاتشكوفا بإسكات هذا الجين في بعض الطماطم وزيادة نشاطه في البعض الآخر. ثم قامت بتحليل تركيبة المكونات في الطماطم المهندسة باستخدام معدات قياس الطيف الكتلي المتقدمة في مختبر البروفيسور أهاروني. أثناء التجارب، اعتادت على تذوق الطماطم من حين لآخر، وكانت متحمسة لاكتشاف أن الطماطم التي لا تحتوي على غوركي كانت مرة بالفعل. وتقول: "كانت هذه الطماطم المريرة اللذيذة التي تذوقتها على الإطلاق".
وخلال البحث، اتضح أنه عندما تنتج الطماطم الخضراء مادة ألفا توماتين بكميات كبيرة، وبشكل رئيسي في قشر الثمرة، فإن هذه المادة السامة يتم الاحتفاظ بها داخل فقاعات مغلقة تمنعها من إيذاء النبات نفسه. عندما تنضج الطماطم، يقوم غوركي بنقل ألفا توماتين من الحويصلات، مما يسمح لهذه الجزيئات بأن تصبح مستقلبات غير سامة في سلسلة من خمسة تفاعلات كيميائية حيوية تجعل الطماطم لذيذة. بدون النقل، يبقى طماطم ألفا في فقاعات، وتظل الطماطم مرة. هذه النتائج قد يشجع على تطوير أصناف جديدة من الطماطم بالإضافة إلى دراسات المتابعة التي ستفحص ما إذا كانت آلية النقل موجودة أيضًا في النباتات الأخرى.
الطماطم لديها معضلة
خلال التطور، واجهت الطماطم تحديًا صعبًا: فمن ناحية، فإن مظهرها اللامع والمغري يجذب الحيوانات، التي تأكل الفاكهة وتنشر بذورها في إفرازاتها. ومن ناحية أخرى، حتى الفطريات التي تسيطر على الطماطم في بدايتها وتفسد مظهرها الجيد، فإنها تساعد أيضًا في نشر بذورها واستمرار النسل. كيف إذن يمكن للطماطم أن تربط بين هدفين متعارضين: الحفاظ على مظهر مشرق وبراق مع مرور الوقت في نفس الوقت الذي تستسلم فيه للفطريات؟
نجح باحث ما بعد الدكتوراه الدكتور جيدرزيج شيمانسكي في مختبر البروفيسور أهاروني، مع زملائه، أولاً في تحديد جينتين جديدتين تشاركان في إنتاج الجليكوالكالويدات - وهي مجموعة من المواد التي تلعب دورًا في حماية الطماطم وإنضاجها. بالإضافة إلى ذلك، بحث العلماء عن الجينات والمستقلبات التي تزيد من مقاومة الطماطم لواحدة من أكثر الفطريات شيوعًا التي تهاجم ثمارها. وأجروا تحليلًا جينوميًا واستقلابيًا للسلالات الـ 600 الموجودة في قاعدة البيانات الجديدة، وفي الوقت نفسه اختبروا انتشار الفطريات في هذه السلالات؛ ولتحقيق هذه الغاية، تم حقن الفطر في قطع صغيرة فوق الطماطم في جميع الأصناف الـ 600 - بإجمالي 25 ألف قطعة. وهكذا اكتشفوا شبكة من ستة مستقلبات مسؤولة عن مقاومة الطماطم للفطريات. وأظهر الباحثون أنه من الممكن زيادة هذه المقاومة باستخدام واحد فقط من المستقلبات - فيتامين ب 5. علاوة على ذلك، حدد الباحثون ثلاثة جينات مرتبطة بمقاومة الفطريات: عندما تم إسكاتها، زادت القابلية للإصابة بالعدوى الفطرية.
هذا البحث قد يساعد في تطوير مبيدات الفطريات الجديدة وتعزيز تطوير سلالات مقاومة. وماذا عن التوازن التطوري المنشود بين "التنشئة" و"الإهمال"؟ حسنًا، اكتشف الباحثون أنه عندما تنضج الطماطم، ينخفض نشاط الجينات المسؤولة عن مقاومة الفطريات. وتشير هذه الحقيقة إلى وجود آليات تحدد توقيت هذه العمليات بدقة، والتي تبدو متعارضة فيما بينها.
د. شموئيل بوكوفزا، د. إيلانا روغشيف، د. شانتان باندا، د. براشانت د. سونافان، د. نير شاف، د. شاغيت مئير، د. أندري وينر، د. ر. يونغوي دونغ، د. شافرا بن دور و د. سيمون ميخائيلي - جميعهم من قسم علوم النبات والبيئة في معهد وايزمان للعلوم؛ د. إيتاي تسيماخ والبروفيسور داني زمير من الجامعة العبرية في القدس؛ الدكتور يانغزي هو والبروفيسور إيلون شاني من جامعة تل أبيب؛ الدكتور بابلو كارديناس، والدكتورة دوروثيا فيرس، والدكتورة كريستا كانستروف، والدكتورة صوفي كونستانس لامبرتس، والدكتور كريستوف كروكول، والدكتور حسام حسن نور الدين من جامعة كوبنهاجن؛ والدكتور جاستن لاشبروك من جامعة ستيلينبوش في جنوب أفريقيا؛ والبروفيسور أفينيش كامبل من جامعة سافيتريباي فول في بيون، الهند؛ الدكتور أرنو بوبي، والدكتور جولز بيكويلدر، والدكتور يوري تيكونوف، والدكتورة إيرينا روميرو دي لا فوينتي من معهد فاغينينجن لأبحاث النبات في هولندا.
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
