وجدت دراسة دولية جديدة أجريت في جامعة حيفا وجامعة كاليفورنيا (ديفيس) لأول مرة جينات تمنح مقاومة لظروف الجفاف في قمح الخبز. "وقال الدكتور جلعاد غاباي، المؤلف الرئيسي للمقالة المنشورة في مجلة Nature Communications المرموقة: "اكتشاف ذو أهمية كبيرة سيسمح بزراعة القمح في ظروف مناخية واسعة النطاق".
تمكنت دراسة جديدة أجريت بالتعاون بين جامعة حيفا وجامعة كاليفورنيا (ديفيس) من التعرف على جينات (OPRIIII) المسؤولة عن تنظيم طول الجذور في قمح الخبز، والتي ستسمح للقمح ذو الجذور الأطول بالوصول إلى المياه الموجودة في طبقات التربة العميقة وتنتج المزيد من المحاصيل في ظروف الجفاف ونقص هطول الأمطار. "هذه هي المرة الأولى التي يتم فيها العثور على جين يمنح مقاومة لظروف الجفاف في قمح الخبز. وفي ضوء أهمية القمح لتغذية سكان العالم من ناحية، والاحتباس الحراري الذي يزيد أكثر وأكثر المناطق التي تعاني من الجفاف ويجعل من الصعب على المحاصيل الزراعية، اكتشاف ذو أهمية كبيرة من شأنه أن يسمح وقال الدكتور جلعاد غاباي، المؤلف الرئيسي، في مقال نشر في المجلة المرموقة: "زراعة القمح في ظروف مناخية أكثر اتساعا" طبيعة الاتصالات.
يعد القمح أحد الحبوب الرئيسية الثلاث التي يعتمد عليها النظام الغذائي العالمي، إلى جانب الأرز والذرة. ويبلغ استهلاك القمح في العالم اليوم أكثر من 800 مليون طن سنوياً، وهو يوفر أكثر من 20% من الاستهلاك العالمي من السعرات الحرارية والبروتينات. الأغلبية المطلقة تقريبا، حوالي 95% من القمح التجاري المستخدم للاستهلاك البشري ينتمي إلى نوع واحد هو قمح الخبز (تريتيكوم استيفوم)، وتنتمي جميع نسبة الخمسة في المائة المتبقية تقريبًا إلى نوع آخر، وهو القمح القاسي (قمح حالة). وفقًا لتوقعات الخبراء، سيتضاعف الطلب على القمح بحلول عام 2050، ولكن اليوم ليس من الممكن زيادة المناطق التي يزرع فيها القمح فحسب، بل إن الاحتباس الحراري وتغير المناخ يجعل المزيد من المناطق جافة جدًا بحيث لا يمكن زراعة القمح، الذي يعتمد على الري بمياه الأمطار (زراعة الأراضي) مما يقلل من إمكانية إمداد المناطق. ولذلك تشير التقديرات إلى أنه إذا لم نجد طرقاً أخرى لزيادة معدل إنتاج القمح، فسيحدث نقص كبير، مما قد يؤدي إلى أزمة غذاء عالمية. وفي ضوء ذلك فإن أحد الحلول الممكنة لزيادة محصول القمح هو من خلال التحسين الوراثي الذي سيؤدي إلى زيادة محصول القمح دون زيادة المساحات المزروعة. منذ حوالي خمس سنوات، تم تسلسل الجينوم الكامل لقمح الخبز، وذلك بفضل جهد دولي واسع النطاق ضم البروفيسور صهيون فهيمة والبروفيسور عساف ديستلفيلد من معهد التطور وكلية العلوم الطبيعية في جامعة حيفا. مهد تسلسل الجينوم الطريق للعثور على جينات مخصصة في قمح الخبز، وهي المسؤولة عن العمليات المختلفة في نمو القمح.
في الدراسة الحالية، تمكن الدكتور غاباي والبروفيسور جورج دوبكوفسكي من جامعة كاليفورنيا (ديفيس)، مع البروفيسور فهيمة وطالب الدكتوراه هانشاو وانغ من جامعة حيفا، وباحثين آخرين من جامعات مختلفة في العالم تحديد الكتلة الجينية المسؤولة عن تنظيم طول جذور القمح.
اختلافات كبيرة في المحصول خاصة في ظروف الجفاف
في المرحلة الأولى من البحث، حدد الباحثون أصناف القمح التي وجدت فيها اختلافات كبيرة في محصول أكثر من 2000 كجم للهكتار (الهكتار = 10 دونم) وفي الكتلة الحيوية للنباتات، ولكن ما لفت انتباههم هو ذلك وكانت هذه الاختلافات أكبر في ظل الظروف الجافة. وفي المرحلة الثانية، ومن خلال الاختبارات في حقول القمح وطرق الزراعة المائية، تبين أن هذه الاختلافات ناجمة عن اختلافات في استطالة الجذور. وفي المرحلة الثالثة، وباستخدام أدوات الجينوم والمعلوماتية الحيوية المتقدمة، حدد الباحثون الجزء من الجينوم الذي يمكن العثور فيه على الجينات المرتبطة ببنية الجذر في القمح. وقال الدكتور غاباي: "يعتبر هذا التحديد معقداً للغاية لأن قمح الخبز يحتوي على جينوم ضخم، أكبر بخمس مرات من الجينوم البشري، ويتكون من ثلاثة جينومات فرعية مختلفة تتضمن ست نسخ من كل كروموسوم". وفي الخطوة الأخيرة تمكن الباحثون من إثبات دور الجينات في تطور الجذور في القمح باستخدام أساليب رائدة في تحرير الجينوم والهندسة الوراثية في أبحاث القمح والتي تم تطويرها مؤخراً في مختبر البروفيسور دوبكوفسكي وكانت تم تنفيذه من قبل فريق يضم طالب الدكتوراه وانغ بتوجيه من الدكتور غاباي، الذي طور الأدوات التالية المبتكرة لتسلسل الجيل (NGS) للكشف عن الطفرات في جينوم القمح التي تحدث نتيجة التحرير الجيني.
كما ذكرنا، في الدراسة الحالية، تمكن الباحثون من التعرف على مجموعة الجينات OPR-III ووجدوا أن مستوى التعبير الجيني، الذي تم تغييره من خلال التحرير الجيني والأدوات الجزيئية، أو في عدد نسخ الجين التي تختلف بين اختلاف أصناف القمح يؤثر على طول جذور الحنطة. بالإضافة إلى ذلك، حدد الباحثون الآلية التي تؤثر من خلالها الجينات على استطالة الجذور، وحددوا الهرمون المفرز الذي يؤثر على معدل نمو الجذور.
حاليًا، لا تسمح الأنظمة في معظم الدول الغربية بالتحسين الوراثي من خلال التدخلات الاصطناعية لتغيير التعبير الجيني. وبدلاً من ذلك، يمكن نقل الجين عن طريق الهجينة الطبيعية للأصناف الموجودة. وهنا يأتي دور بنوك الجينات للحبوب البرية، وهي واحدة من أكبر البنوك في العالم وتقع في جامعة حيفا وتديرها الدكتورة تمار كروجمان، الشريكة في متابعة البحث الذي يتم إجراؤه في حيفا. "يحتوي بنك الجينات الخاص بنا على آلاف أصناف القمح البري، من إسرائيل والعالم. بعد اكتشاف مجموعة الجينات المسؤولة عن طول الجذور، يمكننا الآن البحث عن الأصناف البرية التي تتمتع بمستوى أمثل للتعبير عن المجموعة III OPR وتهجينها مع أصناف قمح الخبز، وبالتالي تطوير أصناف جديدة من قمح الخبز في "التي تكون جذورها أطول ويمكن أن تنتج محصولًا أكبر في ظل الجفاف" ، قال البروفيسور فهيمة.
تم دعم البحث من قبل صندوق البحث والتطوير الزراعي الأمريكي الإسرائيلي BARD، ووزارة الزراعة الأمريكية، ومعهد هوارد هيوز الطبي، والمؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية في الصين.
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
