تنمو جذور النباتات بحركة لولبية - تمامًا مثل المثقاب الذي يخترق الجدار

• وأجرى الباحثون تصويرًا بدقة الخلية المفردة، واكتشفوا أن حركة المثقاب تحدث في خلايا محددة عند طرف الجذر، ويبدو أنها تسمح للجذر باختراق التربة. * نُشر المقال في مجلة Nature Communications

في دراسة متعددة التخصصات أجريت في جامعة تل أبيب، تعاون باحثون من كلية علوم النبات في كلية جورج س. وايز لعلوم الحياة مع زملائهم من كلية ساكلر للطب من أجل دراسة مسار نمو النبات جذور. واستخدم الباحثون في مجال النبات نموذجًا حسابيًا صممه باحثون في مجال السرطان للخلايا السرطانية، وطبقوه على الخلايا الموجودة في جذور النباتات.

النتائج رائعة ومبتكرة: لأول مرة في العالم، لاحظنا بدقة خلية واحدة أن الجذر ينمو مع حركة المسمار - تمامًا مثل المثقاب الذي يخترق الجدار. بعد الدراسة، يقدر الباحثون في مجال السرطان أن الخلايا السرطانية تستخدم أيضًا حركة الخيوط الدوارة لاختراق الأنسجة السليمة في بيئة الورم، أو لإنتاج نقائل في أعضاء مختلفة من الجسم.

قاد البحث البروفيسور إيلون شاني من كلية علوم النبات وسلامة الأغذية والبروفيسور إيلان زرافاتي من قسم علم الأحياء الدقيقة السريرية والمناعة في جامعة تل أبيب، وتم تنفيذه بالتعاون مع باحثين من الولايات المتحدة الأمريكية والنمسا وألمانيا. الصين. نُشر المقال في مارس 2021 في مجلة Nature Communications المرموقة.

استخدم الباحثون في مجموعة البروفيسور شاني نباتًا نموذجيًا يسمى الأرابيدوبسيس. وقاموا بتمييز نوى الخلايا الجذرية باستخدام البروتين الفلوري، وتابعوا عملية النمو وحركة الخلايا عند طرف الجذر باستخدام مجهر قوي - حوالي 1000 خلية في كل تصوير. ولفحص أسباب الحركة والتحكم فيها أيضًا، ركزوا على هرمون معروف يسمى أوكسين، والذي يُعرف بتنظيم التطور في النباتات. لقد بنوا نظامًا وراثيًا يمكّن من تشغيل وإيقاف إنتاج الأوكسين (مثل المفتاح)، في عدد من الخلايا المختارة، ثم تابعوا تأثير تشغيله/إيقافه على الآلاف من الخلايا عند طرف الجذر، في أربعة أبعاد - الأبعاد الثلاثة للمكان، والبعد الزماني. بعد كل تشغيل/إيقاف للأوكسين، تم تصوير كل خلية من الألف خلية بالفيديو لمدة تتراوح بين 6 إلى 24 ساعة، وبالتالي تراكمت كمية هائلة من مواد الفيديو.

وفي الخطوة التالية، استخدم الباحثون الأدوات الحسابية التي أتاحها لهم البروفيسور فرينش والتي طورها في مختبره، لغرض مراقبة تطور الأورام السرطانية، واستخدموها لتحليل ملفات التصوير التي تم الحصول عليها في التجربة. في الواقع، ولأول مرة، تمكنوا من ملاحظة حركة التواء الجذر بأعينهم، بالإضافة إلى التحديد الدقيق لحوالي 30 معلمة لنمو الجذر في الزمان والمكان ورسم خريطة لها - بما في ذلك التسارع والطول والتغيرات في بنية الخلية والتنسيق بين الخلايا أثناء النمو وسرعة الحركة - وذلك لكل خلية من الألف خلية عند طرف الجذر حتى أن النتائج سمحت لهم بتقييم حركة وتأثير الأوكسين في الجذر بدقة، والطريقة التي يتحكم بها في عملية النمو.  

البروفيسور شاني: "تشكل النباتات تحديات خاصة لنا نحن الباحثين. فمثلاً نصف النبات (النصف المخفي)، أي النظام الجذري، يكون مخفياً في التربة. سمحت لنا الأدوات الحسابية التي تم تطويرها لأبحاث السرطان لأول مرة بقياس وتحديد حركية النمو بدقة والكشف عن الآليات التي تتحكم فيه بدقة الخلية الواحدة. ومن خلال قيامهم بذلك، فقد عززوا بشكل كبير الأبحاث النباتية، وهو مجال ذو أهمية قصوى للمجتمع - سواء في الجانب البيئي أو فيما يتعلق بتعزيز الزراعة وإطعام السكان.

ويضيف البروفيسور شاني: "خلال البحث اكتشفنا ظاهرة رائعة لم يتم ملاحظتها حتى الآن في "لايف": رأينا أن الخلايا الموجودة في نهاية الجذر تتحرك في حركة ملتوية، مثل المثقاب الذي يخترق التربة. لقد حددنا أيضًا أن هرمون الأوكسين يتحكم في عملية شد طرف الجذر. قمنا بدراسة وقياس اتجاهات حركة هرمون الأوكسين الذي ينتقل من خلية إلى أخرى في الجذر، وذلك للتحكم في نمو الجذر وحركة الشد.

ويضيف البروفيسور صرفاتي: "هذا تعاون تآزري يعمل على تمكين وتثقيف كلا الطرفين. في النباتات، تحدث العمليات بشكل أسرع بكثير، لذلك فهي نموذج ممتاز بالنسبة لنا. وبعد نتائج الأبحاث التي أجريت على النباتات، نقوم الآن باختبار إمكانية حدوث حركة لولبية مماثلة في الخلايا السرطانية والانتشارات، أثناء اختراقها للأنسجة الصحية المجاورة.

للمادة العلمية

المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:

• أعاد الباحثون شريحة وراثية من القمح البري إلى القمح الحديث وقاموا بتحسين كفاءة نظام الجذر
• الفطريات قادرة على تحلل الخشب
• أشياء يعرفها المانحون: هل يمكن للأشجار أن تعيش إلى الأبد؟
• تمكن الباحثون من إنتاج شتلات الأفوكادو في نصف الوقت ودون إهلاك * توفير مليارات الدولارات والطريق المختصر لتلبية الطلب