اقلبها واقلبها

يسمح الانعكاس الوراثي لنوع نباتي واحد بالنمو في شكلين مختلفين تمامًا. نتائج البحوث على نبات المحاكاة

بقلم: نوعم ليفيتان ويونات أشهار جاليليو

وفي غرب أمريكا الشمالية ينمو نبات الميمولوس الأصفر (Mimulus Guttatus)، وهو نبات من عائلة السيدوم يعرف باللغة الإنجليزية باسم زهرة القرد بسبب النقاط المتناثرة على وجهها. وعلى سواحل الغرب الباردة الرطبة التي يكتنفها الضباب، ينمو نبات المحاكاة الصفراء نباتًا معمرًا، بينما في الداخل، حيث مناخ البحر الأبيض المتوسط ​​الدافئ، ينمو نباتًا سنويًا يذبل ويموت مع قدوم الصيف. والفرق الأكثر وضوحًا بين هذين النوعين البيئيين، بالإضافة إلى العمر، هو تاريخ الإزهار.

يزهر النوع السنوي مبكرًا وبسرعة، وينتج البذور قبل أن يتلف ويموت في الصيف الحار والجاف. في المقابل، يستفيد النوع المعمر، الذي لا يعاني من نقص المياه، من ظروف نمو ملائمة تسمح له بالاستثمار في النمو ونمو الأوراق قبل تزهيرها المتأخر. نظرًا لأن ازدهار نوعي المحاكاة يحدث في أوقات مختلفة، فليس لديهم أي فرصة تقريبًا لتلقيح وتخصيب بعضهم البعض. قد تؤدي هذه العزلة الإنجابية مع مرور الوقت إلى انقسام النوعين إلى أنواع بيولوجية منفصلة من الميمولوس.
التهجين الوراثي

في دراسة نشرت مؤخرا في المجلة الإلكترونية PLoS Biology، كشف ديفيد لوري (لوري) من جامعة ديوك عن المكون الجيني الذي يسبب الاختلافات بين نوعي الزهور. كان لوري مهتمًا بتكوين الأنواع البيولوجية، وركز على المحاكاة الصفراء لاكتشاف كيفية تكيف كل نوع مع البيئة التي ينمو فيها. نظرًا لأن لوري لم يكن يعرف الجينات المشاركة في تكيف النباتات المحاكاة مع بيئتها، فقد قام بالتهجين بين الأنواع المختلفة في محاولة للعثور على الجينات التي تحول المحاكاة الصفراء من نبات معمر إلى نبات سنوي والعكس صحيح.

أثناء عملية التهجين ورسم خرائط المناطق في جينوم النباتات المهجنة لاحظ اختلافاً في ترتيب قطعة DNA في أحد كروموسومات النباتات - القطعة التي يتم ترتيبها بطريقة واحدة في النباتات المعمرة يتم ترتيبها في في الاتجاه المعاكس في النباتات السنوية. هذا الوضع يسمى الانقلاب. الانقلاب هو طفرة يتم فيها وضع جزء من الكروموسوم في الاتجاه المعاكس. يحدث هذا الوضع عندما يؤدي انقطاع موقعين في الكروموسوم إلى قطع جزء ما، والذي يتم إدخاله مرة أخرى إلى الكروموسوم في نفس المكان ولكن في الاتجاه الخاطئ، بعد عكسه بمقدار 180 درجة.

لا تتغير المعلومات الوراثية في الكروموسوم بعد الانقلاب، بل يتغير موقعه وترتيبه فقط. منذ أن اكتشف ألفريد ستورتيفانت الانقلابات في عام 1921، تم العثور على العديد من الانقلابات التي تفصل بين الأنواع ذات الصلة الوثيقة، على سبيل المثال حوالي 1,500 انقلاب يفصل بين البشر والشمبانزي، بالإضافة إلى اختلافات جينية أخرى.
هل الانقلاب هو بالضرورة عابر؟

وكما ذكرنا، لاحظ لوري حدوث انعكاس أثناء تهجين الأنواع المختلفة. لقد اكتشف الانقلاب لأنه لاحظ أنه في الهجينة، لا يشارك جزء من الكروموسوم المعاكس في عملية الافتراس الجيني التي تحدث أثناء تكوين الأمشاج - عملية العبور. في هذه العملية، يتم استبدال جزء من كروموسوم واحد بجزء من كروموسوم آخر، عندما تكون كل من الكروموسومات والأجزاء المستبدلة متجانسة مع بعضها البعض، أي أنها متشابهة جدًا مع بعضها البعض.

في حالة الانقلاب، لا يحدث أي استبدال لأن جزءًا من أحد الكروموسومات يواجه الاتجاه المعاكس للجزء المقابل من الكروموسوم الآخر. لذلك، في الهجينة من الأنواع المختلفة، تواجه كل قطعة الاتجاه المعاكس ولا يحدث العبور، بينما في الأنواع غير المخلوطة يكون اتجاه القطعة على كل كروموسوم هو نفسه ويمكن أن يحدث العبور. على أية حال، حتى في الهجينة (معظمها خصبة)، فإن معظم الكروموسومات غير مقلوبة وبالتالي يحدث التقاطع.

وبما أن القسم العكسي الكبير، الذي يضم حوالي 360 جينًا، يمر كقطعة واحدة دون انتقال، فيمكن اعتباره في الواقع نوعًا من الجين الفائق الذي يسمح للنباتات المحاكاة بالبقاء على قيد الحياة في بيئات نمو مختلفة. وجد لوري دليلاً آخر على أن الحديقة الفائقة مرتبطة بالبقاء على قيد الحياة عندما لاحظ أنه في المناطق الداخلية، حيث مناخ البحر الأبيض المتوسط ​​ومعظم نباتات المحاكاة هي نباتات سنوية، يمكنك العثور على نباتات محاكاة معمرة في أماكن لا يوجد فيها نقص في المياه، مثل على ضفاف الأنهار وبالقرب من الينابيع. وكشف فحص هذه النباتات المعمرة أنها مطابقة للنباتات التي تنمو على طول الساحل وأن لها نفس الانعكاس الذي يميز النباتات المعمرة التي تنمو هناك.
كيف يؤثر الانقلاب على الطبيعة؟

لاختبار ما إذا كانت السمات المميزة بين النباتات المعمرة والحولية ترجع بالفعل إلى الانقلاب، قام لوري بتربية العديد من النباتات حتى تمكن من الحصول على نباتات معمرة تم استبدال الجزء المقلوب بالجزء السنوي، والعكس صحيح. تزهر هذه النباتات المعمرة في وقت أبكر بكثير من إخوانها الطبيعيين بينما تزهر النباتات الحولية ذات الجزء العكسي من النباتات المعمرة في وقت متأخر عن المعتاد.

ولاختبار تأثير الانعكاس في الطبيعة، زرعت لوري النباتات في حقول تجريبية في بيئات مختلفة - على الساحل والداخل. على الرغم من أن النباتات لم تكن تعمل بشكل جيد في الحقل مثل إخوانها الأصليين، على سبيل المثال، فإن النبات السنوي الشائع في المناطق الداخلية الجافة كان أداؤه أفضل من أي نبات آخر. ولكن، على أية حال، كان أداء النباتات ذات الانقلاب السنوي أفضل من النباتات ذات الانقلاب الدائم في المناطق الداخلية الجافة. تم الحصول على نتائج معاكسة على الساحل، حيث كان أداء النباتات ذات الانقلاب الدائم أفضل. من هذا يتضح أن الانقلاب هو عامل رئيسي، وإن لم يكن العامل الوحيد، الذي يؤثر على تكيف المحاكاة الصفراء مع ظروف النمو المختلفة.

يعتقد لوري أنه في الميمولوس الأصفر تطورت أشكال مختلفة (أليلات) من الجينات التي تساعد على البقاء في البيئة الداخلية القارية الجافة أو في البيئة الساحلية. وعندما حدث الانقلاب، شمل هذه الأليلات وبالتالي منعها من العبور مع مجموعة الأليلات المقابلة لها في نباتات النوع الثاني، وسمح لها بالمرور كمجموعة واحدة مسؤولة عن تكيف النباتات مع بيئتها. الاحتمالات الأخرى، ولكنها أقل احتمالا، هي أن الانقلاب حدث أولا وبعد ذلك فقط تراكمت طفرات إضافية خلقت أليلات مختلفة مناسبة للبيئات المختلفة، أو أن الانقلاب أثر على جين يقع على إحدى نقاط التوقف التي حدث فيها الانقلاب وهذا الجين هو المسؤول عن الاختلافات بين أنواع النباتات.

الانقلاب في الطبيعة: شكلان لنبتة واحدة

تثبت نتائج بحث لوري لأول مرة أن الانعكاسات تؤثر على التكيف مع البيئة. بالإضافة إلى ذلك، فإن الانقلاب في الميمولوس الأصفر يسبب في الواقع انفصالاً تكاثرياً بين الأنواع البيئية المختلفة للنباتات من خلال التأثير على وقت تزهيرها، وبما أن كل نوع يفشل في البقاء في البيئة التي ينمو فيها النوع الآخر. تموت النباتات المعمرة بسبب الجفاف في الداخل قبل أن تتمكن من الإزهار، وتنمو النباتات الحولية ببطء وتزدهر في وقت مبكر جدًا على الساحل وتخسر ​​في المنافسة على الموارد مع جميع النباتات الأخرى التي تنمو هناك. هذا الفصل، الذي يتم الحفاظ عليه لأن الجزء المقلوب لا يتقاطع وبالتالي يمنع تبادل الجينات المفيدة بين الأنواع المختلفة، قد يؤدي في النهاية إلى تطوير نوعين بيولوجيين منفصلين من نباتات المحاكاة الصفراء والمزيد من الانقلابات.

تم نشر المقال كاملا في مجلة جاليليو عدد نوفمبر 2010