كيف يتم تحديد الحجم النهائي للأعضاء؟ كيف يقيسون حجمهم؟ وما الذي يجعلها تتوقف عن النمو؟

حجم أذن الفيل أكبر بعشرات المرات من حجم أذن الإنسان، لكن كل واحدة منها لها حجم محدود، وهو ثابت إلى حد ما في جميع التفاصيل. أثناء التطور تحدث تغيرات جذرية في حجم الأعضاء

حجم أذن الفيل أكبر بعشرات المرات من حجم أذن الإنسان، لكن كل واحدة منها لها حجم محدود، وهو ثابت إلى حد ما في جميع التفاصيل. خلال التطور، هناك تغيرات جذرية في حجم الأعضاء: أوراق الملفوف، على سبيل المثال، أكبر بعشر مرات من أوراق قريبها، الشوكة البيضاء (أرابيدوبسيس ثاليانا). كيف يتم تحديد الحجم النهائي للأعضاء؟ كيف تقيس الأعضاء حجمها؟ وما الذي يجعلها تتوقف عن النمو؟ اكتشف فريق من العلماء، بقيادة البروفيسور يوفال أشاد من قسم علوم النبات في المعهد، الذين بدأوا في التحقيق في هذه الأسئلة، نتائج مذهلة. وتبين أنه عندما يتعلق الأمر بنمو الأوراق، فإن دواسة "الفرامل" أهم من دواسة "الغاز": فغرض معظم الآليات المتعلقة بالتحكم في النمو هو إيقافه وليس تشجيعه.

مصدر هذا الاكتشاف المفاجئ هو في دراسة سعت في الواقع إلى اختبار سؤال آخر: ما الذي يجعل ورقة الشجر تبدأ في النمو. إن بداية النمو ليست حدثاً تلقائياً وبديهياً. ولكي يحدث ذلك، يجب إنشاء هيكل أولي للورقة، حيث يوجد انقسام إلى جانب سفلي وجانب علوي؛ إن التفاعل بين الطرفين هو الذي يؤدي إلى بدء النمو. ومن المثير للاهتمام أن جناح الذبابة، وهو مثال آخر لعضو ثنائي الأبعاد، ينمو أيضًا بسبب التفاعلات بين جانبيه. وفي الدراسة التي نشرت في المجلة العلمية The Plant Cell، والتي أجراها طالبا البحث (آنذاك) الدكتور عيدان أفروني والدكتور إيال بلوم، سعى العلماء إلى فحص كيفية حدوث ذلك بالضبط.

ولتحقيق هذه الغاية، قاموا، باستخدام أساليب الهندسة الوراثية، بإنشاء أوراق ذات نوع خلية واحدة، تلك الموجودة في الجانب العلوي أو السفلي، والتي لا تنمو، ومقارنتها بالأوراق العادية. وفي هذه المقارنة تم اكتشاف العشرات من البروتينات التي يتم التعبير عنها فقط في الأوراق النامية الطبيعية، وليس في الأوراق غير النامية أحادية الجانب. وفي المرحلة الثانية، ولمحاولة تأكيد دور البروتينات التي اكتشفوها، أنشأ العلماء سلسلة من النباتات المعدلة وراثيا، تم في كل منها إنتاج كمية كبيرة من أحد هذه البروتينات، وقاموا بقياس حجمها. ولدهشتهم، لم يتسبب أي من البروتينات في نمو الأوراق: نصفها لم يكن له أي تأثير على الإطلاق، ونصفها الآخر قلل من حجم الأوراق.

وقد أوضحت هذه النتائج للعلماء أن هناك خطأ في افتراضهم الأساسي، وهو أن معظم العوامل الموجودة في الورقة النامية هي التي تجعلها تنمو. لفهم الخطأ، تم اختيار عدد من البروتينات التي وُجد أنها تقلل حجم الورقة، والتي تنتمي إلى عائلة من عوامل النسخ (أي العوامل التي تنظم التعبير عن الجينات) تسمى TCP. ومن خلال الجمع بين عدة طرق وراثية، أنشأ الباحثون نباتًا لا ينتج أيًا من الأعضاء الثمانية لعائلة TCP. ونتيجة لذلك، حدث تحسن كبير في قدرة نمو الأوراق. وكان الاستنتاج الناتج عن هذه النتيجة هو أن منطق عملية النمو هو عكس ما توقعه الباحثون: فالنمو هو افتراضي الورقة، ولا يحتاج إلى "نية" أو جهد خاص، وهناك عوامل كثيرة تنظمه تعمل بمثابة الفرامل. تم اكتشاف أيضًا أن هذه العوامل التنظيمية تعمل في مجموعات، مما يؤدي إلى إنشاء سلسلة من "نقاط التفتيش" التي يتم تفعيلها في مراحل مختلفة من التطوير. تعد نقاط التوقف المتعددة ضرورية لأن عملية نمو الورقة تستغرق وقتا طويلا يصل أحيانا إلى عدة أسابيع وأشهر، وقد تتغير خلالها العوامل البيئية المؤثرة على النمو، مثل قلة الماء وارتفاع درجات الحرارة (هذه الظاهرة مسؤولة، من بين وأشياء أخرى، فبالنسبة للعديد من النباتات البرية تقدم "عرض الشتاء" بالأوراق الكبيرة، و"عرض الصيف" بالأوراق الصغيرة).

وفي دراسة لاحقة أجراها الدكتور عيدان عفروني، ونشرت في المجلة العلمية Developmental Cell، تم اكتشاف كيفية عمل العوامل التي توقف النمو، أي من هم الوسطاء المشاركون في تنفيذ أمر التوقف. واشتبه العلماء في وجود هرمون السيتوكينين النباتي، الذي يشجع انقسام الخلايا ويمنع تمايزها. واكتشف العلماء أنه عندما يتم رش الهرمون على أوراق النباتات المعدلة وراثيا، والتي تنتج كمية أكبر من المعتاد من عوامل النسخ من عائلة TCP، فإن الأوراق لا تستجيب للهرمون ولا تنمو إلى الحد الذي يمنع التحكم فيه. نمت النباتات.

كيف تقلل عوامل النسخ من عائلة TCP من حساسية الورقة للسيتوكينين وتوقف النمو؟ وفي تجربة أجريت بالتعاون مع مجموعة بحثية من ولاية بنسلفانيا، تم الكشف عن صورة تفصيلية لآلية نشاطهم. اتضح أن عوامل النسخ من مجموعة TCP تقوم بتجنيد بروتين لمساعدتها، والذي يعرف كيفية الكشف عن مناطق معينة من التسلسل الجيني عن طريق إزالة البروتينات التي تحزمه. وينتج عن عملهم المشترك انكشاف تسلسل الحمض النووي للجين مما يقلل من درجة حساسية النبات للسيتوكينين، وزيادة التعبير عن الجين.

يمكن تنشيط هذا النظام المرن في مراحل مختلفة من تطور الورقة، لذلك، على الرغم من الاحتفاظ بالحجم النهائي للصفحة ضمن نطاق ثابت، فمن الممكن حدوث تقلبات داخل النطاق: كلما تم تنشيط آلية الإيقاف لاحقًا، كلما أصبحت الورقة أكبر . بالإضافة إلى ذلك، فإن هذه الدراسات لا تكشف بالتفصيل الآليات التي تنظم نمو النبات فحسب، بل تقدم أيضًا لمحة عن المبادئ التوجيهية للعمليات التنموية الأساسية، وتكشف أنها لا تطيع دائمًا الحدس الأولي للعلماء.