الشوفان في الميدان

البروفيسور موشيه فيلدمان من معهد وايزمان يبحث في سر بقاء القمح - قصة دراسة شملت ثلاثة أجيال من الباحثين

 
من اليمين إلى اليسار: البروفيسور موشيه فيلدمان، البروفيسور آفي ليفي، وطالب البحث خليل قشقوش. حقول الخبز

ثلاثة إسرائيليين من أجيال مختلفة، ومن خلفيات مختلفة، جميعهم مفتونون بسحر القمح. الكيبوتسني السابق، المهاجر من فرنسا والعربي الإسرائيلي، الثلاثة أرادوا أن يكونوا مهندسين زراعيين - كل منهم وسببه مع شعبه - وكانوا جميعاً مفتونين بأسرار النبات القوي الذي لعب دوراً حاسماً في تطور الإنسان الغربي. ثقافة.

بصفته عضوًا في كيبوتس مشمار ديفيد في الخمسينيات من القرن الماضي، أمضى البروفيسور موشيه فيلدمان عدة أيام في الزراعة ومن ثم حصاد المحاصيل في حقول الكيبوتس الواسعة (50 دونم). منذ طفولته كان يحب الطبيعة: "كانت الهندسة الزراعية خياري الطبيعي"، كما يقول. ولكن بعد سنة من الدراسة في القدس، انجذب إلى علم الأحياء والتطور، وواصل دراسته في هذه المجالات. بعد الانتهاء من عمله بعد الدكتوراه، والذي عمل خلاله مع الباحث المعروف في مجال القمح إرنست سيرز، وصل فيلدمان إلى معهد وايزمان للعلوم، وهنا واصل فك أساس بقاء القمح: لقد انتشر في جميع أنحاء العالم، سواء كان في المناطق الاستوائية في البرازيل أو المناطق الجافة في السودان أو البراري الثلجية في كندا. يقول فيلدمان: "لقد وضع القمح الأساس للثقافة الإنسانية التي نعرفها اليوم". "عندما تعلم الناس زراعة القمح، تغيرت طريقة حياتهم - فقد تمكنوا من الاستقرار في أماكن معينة لفترة طويلة وقاموا ببناء القرى والبلدات. تم اكتشاف صنف القمح البري الذي يسكنه البشر - والذي يسمى "أم القمح" - في إسرائيل على يد أهارون أهارونسون، ولا يزال ينمو في هذه المنطقة."

بعد حوالي عشر سنوات من بدء البروفيسور فيلدمان أبحاث القمح في معهد وايزمان للعلوم، وصل طالب بحث جديد اسمه آفي ليفي إلى المعهد، وهو اليوم أيضًا أستاذ في قسم علوم النبات في المعهد. هاجر ليفي من فرنسا عندما كان عمره 17 عامًا لتحقيق الحلم الصهيوني بالكامل - وهو العمل في الزراعة في أرض إسرائيل. ويقول: "بكت والدتي عندما سمعت أنني قررت ألا أصبح طبيباً". كما بدأ دراسة الزراعة، لكن قلبه كان مأسوراً بسحر وراثة القمح. يقول ليفي: "القمح نبات صغير وجميل ومتواضع، واحتياجاته قليلة للغاية، لكن جيناته معقدة للغاية". بدأ دراسة الدكتوراه في المعهد

وايزمان تحت إشراف فيلدمان، الذي اكتسب بالفعل سمعة طيبة كخبير عالمي في علم الوراثة وتطور القمح. وفي عمله بعد الدكتوراه في جامعة ستانفورد، واصل اهتمامه بالحبوب، وخاصة الذرة، حيث درس الجينات المتنقلة التي تؤثر على استقرار الجينوم، وبهذه الطريقة، تطوره المتسارع. ثم عاد إلى المعهد كباحث مستقل. يقول مازحا: "في هذه المرحلة كان علي أن أثبت أنني لم أواصل فقط عمل Musik (اللقب الذي يطلقه البروفيسور فيلدمان)." لذلك استمر في اتجاه بحثي جديد: ديناميكيات الجينوم في النباتات الأخرى. ويقول: "لحسن الحظ، مع مرور الوقت، أصبح من الواضح أن بحثي له آثار كبيرة على أبحاث القمح". وهكذا فُتح باب دراسة كائنه المفضل مرة أخرى.

منذ حوالي أربع سنوات، انضم معجب آخر إلى صفوف محبي القمح، وهو الطالب الباحث خليل قشقوش. ويقول: "عندما ولدت، أول ما رأيته هو الفراولة والزهور والقمح"، في إشارة إلى المحاصيل الزراعية التي زرعها والده في قرية كالانساوا العربية في المثلث. اعتماد المحاصيل على الماء جعل الصبي خليل يحلم بتطوير صنف قمح لا يحتاج لكميات كبيرة من الماء، ولتحقيق الحلم قرر أن يصبح مهندساً زراعياً. تركته دراسته طوال الوقت

الشعور بأنه لا يعرف ما يكفي. وهكذا تم دفع حلم الهندسة الزراعية جانباً لصالح دراسة الدكتوراه في علوم النبات. "مثل والدة البروفيسور ليفي، أرادت والدتي أيضًا أن أصبح طبيبة. والآن تعزي نفسها بأنني سأحصل على درجة الدكتوراه، والتي، كما قالت، "جيدة بما فيه الكفاية"،" يضحك. وقد أنتج بحث كاشكوش، بتوجيه من فيلدمان وليفي، ثلاث مقالات في مجلات علمية مرموقة، وفاز بجائزة كينيدي المرموقة من منحة فاينبرج للمحاضرات في المعهد. يقول فيلدمان: "يتمتع خليل بروح قوية وشجاعة للقيام بأشياء لم يفعلها الآخرون من قبله". "ليس لدينا أدنى شك في أن مستقبله العلمي واعد للغاية. ويواصل دراسته للحصول على درجة ما بعد الدكتوراه في أحد المختبرات الرائدة في هذا المجال، ومن هنا السماء هي الحد الأقصى." إذا نظرنا من الجانب، يبدو أن البروفيسور فيلدمان، كونه مدرسًا ملهمًا، وضع الأسس لسلالة من علماء القمح في معهد وايزمان للعلوم.

قد يحتوي القمح على أدلة تجيب على واحد من أكثر الأسئلة غموضا في التطور: هل قام مخلوق بدائي بنسخ الجينوم الذي كان موجودا قبل 500 مليون سنة، وبالتالي خلق القفزة الجينية التي أدت إلى تكوين الثدييات؟ يطرح هذا السؤال في ضوء حقيقة أن القمح قد تضاعف جينومه عدة مرات في الماضي، وبالتالي خلق أنواع جديدة من القمح بين عشية وضحاها تقريبا. يقول البروفيسور ليفي: "عندما يتعلق الأمر بالقمح، يمكنك بسهولة إحداث تكاثر جيني في المختبر. ولذلك يتم استخدامه كنموذج وراثي فريد من نوعه. وبالتالي، فإن دراسة القمح يمكن أن تؤدي إلى رؤى جديدة حول تطور الكائنات الحية الأخرى، بما في ذلك البشر.

لسنوات عديدة، كان التضاعف الوراثي يعتبر ظاهرة تحدث بشكل رئيسي في النباتات، ولكن اليوم يتم الاعتراف به كقوة دافعة أثرت في تطور الممالك الحيوانية والنباتية والفطرية على حد سواء. وهكذا، على سبيل المثال، يتبين أن العديد من المناطق المكررة في الجينوم البشري قد تم إنشاؤها قبل حوالي 500 مليون سنة، مما يشير إلى احتمال حدوث حدث ازدواجية جينية في ذلك الوقت. ومع ذلك، ينبغي للمرء أن يكون حذرا في استخلاص استنتاجات سريعة في هذا المجال. كما نعلم، تتغير الجينات بمرور الوقت، وما بدأ كتضاعف دقيق للجينات يمكن أن يتغير على مدى ملايين السنين. ومع ذلك، يمكن استخدام دراسة القمح كأداة لدراسة إمكانية أن يكون حدث تضاعف الجينوم قد لعب بالفعل دورًا مهمًا في تطور الإنسان.

وكشف علماء المعهد الذين درسوا أحداث ازدواج الجينوم عن عدة أحداث تحدث بعد هذا التضاعف. لقد أظهروا أنه بعد التضاعف الجيني، تحدث "صدمة جينية"، وهي حالة يتم فيها إيقاظ الجينات النائمة وإسكات جينات أخرى. ومن الأمثلة على الجينات التي نشأت في هذه العملية الجينات التي تغير موقعها على تسلسل الجينوم مع تخطي الجينات الأخرى، ولذلك تسمى "الجينات القافزة". ما لم يكن معروفًا هو أن الجينات القافزة لديها وسائل أكثر دقة لزرع الارتباك في الجينوم. واكتشف علماء المعهد أنه حتى عندما لا تقفز هذه الجينات، فإنها يمكنها تشغيل أو إيقاف تشغيل الجينات المجاورة، وبالتالي تغيير سيطرتها. وقد نشرت هذه النتائج مؤخرا في المجلة العلمية Nature Genetics. ويعتقد عدد غير قليل من العلماء أن هذه الظاهرة، التي اكتشفها علماء المعهد، قد تحدث أيضًا

في الخلايا البشرية التي تحتوي أيضًا على جينات قافزة. إن جينوم القمح كما نعرفه اليوم هو في الواقع مزيج من عدة أنواع من القمح، والتي يمكن أن تكون جينوماتها بمثابة أنظمة احتياطية لبعضها البعض. يتم تفعيل هذه النسخ الاحتياطية عندما تخضع الجينات النشطة لطفرة تعطل قدرتها على العمل بشكل صحيح. ومن الممكن أن تشير هذه الظاهرة إلى عمليات حدثت في الماضي البعيد جدا، لدى أحد المخلوقات البدائية التي يمكن اعتبارها أسلافنا. إذا قام مثل هذا المخلوق بتكرار الجينوم الخاص به، فإن النسخ الزائدة من الجينات التي تم إنشاؤها، أو "الأنظمة الاحتياطية"، يمكن أن تكون بمثابة أساس لإنشاء وتطوير قدرات وظيفية جديدة. البروفيسور فيلدمان: "إن الزيادة المفاجئة في المادة الوراثية، إلى جانب القدرة على تحمل الطفرات، كان من الممكن أن تؤدي إلى تكوين جينات جديدة، وزيادة التعقيد الجيني، وبمرور الوقت إلى تطوير أنواع أكثر تعقيدًا."
 
 حدائق منبثقة

 الجينات القافزة هي جينات قادرة على تغيير موقعها في تسلسل الجينوم. ومنذ أكثر من خمسين عاماً، تم اكتشافها في الذرة على يد باربرا مكلينتوك، التي فازت بجائزة نوبل لهذا الاكتشاف. من المعروف اليوم أن الجينات القافزة شائعة في جميع أنحاء عالم الحيوان: فهي تشكل حوالي 40% من الجينوم البشري، وفي النباتات تشكل ما يصل إلى 80% من جميع المادة الوراثية، الحمض النووي. ومن المعروف أيضًا أن الجينات القافزة تلعب دورًا مهمًا في التطور. إن حركة الجينات القافزة قد تسبب فوضى في الجينوم بسبب الطفرات التي تولدها في الجينات الأخرى التي تقفز عليها. ولحسن الحظ، فإن الجينات المنبثقة تكون في حالة سبات في معظم الأوقات. أظهر البروفيسور آفي ليفي والبروفيسور موشيه فيلدمان وطالب الدكتوراه خليل كشكوش من معهد وايزمان للعلوم، في مقال نشر مؤخرا في المجلة العلمية "Nature Genetics" أن هذه الجينات لديها طرق أقل وضوحا في إحداث ارتباك في الجينوم: حتى عندما لا يقفزون، يكونون قادرين على إيقاف أو تنشيط الجينات المجاورة ويقررون لهم متى سيعملون. قد يحدث هذا الاستيلاء على الجينات تحت ضغوط معينة، بما في ذلك في الإنتاج الهجين، الذي يتم إنشاؤه نتيجة للتخصيب بين الأنواع ذات الصلة الوثيقة.