فك وتسلسل جينوم القمح

في دراسة دولية نشرت في مجلة SCIENCE المرموقة بمشاركة باحثين من جامعة حيفا وتل أبيب وشركة التكنولوجيا الفائقة NRGene. إن فك تشفير الجينوم سيسمح بزراعة أصناف القمح المقاومة للأمراض، وإنتاجية أكبر، وأكثر تكيفًا مع الظروف البيئية المتغيرة، وأكثر من ذلك. بما أن أكثر من 20% من استهلاك البروتين والسعرات الحرارية في العالم يأتي من القمح، فهذه أخبار مهمة بشكل خاص لرفاهية البشرية جمعاء.

تمكن أكثر من 200 باحث من عشرين دولة، بما في ذلك إسرائيل، و73 مؤسسة بحثية من القيام بما كان يعتبر مستحيلا حتى سنوات قليلة مضت - لكسر وتسلسل جينوم القمح المزروع، قمح الخبز. تكسير الجينوم، نشرت في مجلة SCIENCE المرموقة. وضم الاتحاد العلمي الكبير ثلاثة فرق إسرائيلية، من جامعة حيفا، وجامعة تل أبيب، وشركة التكنولوجيا الفائقة NRGene، التي لعبت دورًا رئيسيًا في هذا الإنجاز.

يعد القمح المزروع، والذي يتم منه إنتاج العديد من الأطعمة (الخبز، والبيتاس، والمعجنات الحلوة والمالحة، والكعك، وما إلى ذلك)، عنصرًا أساسيًا في النظام الغذائي العالمي، حيث يأتي منه أكثر من 20٪ من استهلاك السعرات الحرارية والبروتين العالمي، وأكثر من ذلك بكثير. من أي نبات غذائي آخر. وبحسب البروفيسور فهيمة، رئيس معهد التطور في جامعة حيفا والشريك في الدراسة، حسب كل التقديرات، من أجل تلبية الاستهلاك الغذائي المتوقع لعام 2050، حيث سيبلغ عدد سكان العالم حوالي 10 مليار نسمة ويجب زيادة إنتاج القمح بحوالي 1.6% سنوياً. لكن في السنوات الأخيرة تمكنا من زيادة الإنتاج بمقدار النصف. والمعنى بسيط: احتمال حدوث أزمة جوع في المستقبل، أو إيجاد طرق للتحسين الوراثي من شأنها زيادة الإنتاج في نفس المجالات الموجودة اليوم.

ومع ذلك، فإن الجهود المبذولة لتحسين القمح وراثيا واجهت حتى الآن جدارا يكاد يكون من المستحيل كسره: يتكون جينوم القمح من حوالي 16 مليار حرف، على 21 كروموسوم مقسمة إلى ثلاثة جينومات فرعية (الجينوم البشري، للمقارنة، يتكون من حوالي 3 مليارات حرف). . للتعامل مع المهمة المستحيلة، انضم معظم الباحثين في مجال القمح في العالم معًا في الاتحاد الدولي لتسلسل جينوم القمح (IWGSC - الاتحاد الدولي لتسلسل جينوم القمح)، والذي يضم أكثر من 2400 باحث ومزارع من 68 دولة. ركزت كل مجموعة بحثية على جزء صغير من أحد الكروموسومات الـ 21، وكان الهدف الشامل هو ربط جميع القطع في النهاية لتشكيل اللغز الكامل. ولكن حتى بهذه الطريقة، كان التقدم بطيئا وكان تاريخ الانتهاء بالكاد في الأفق.

ومن المعالم المهمة خلال المشروع ما قام به البروفيسور أبراهام كورول، من معهد التطور بجامعة حيفا. طور البروفيسور كورول طريقة أكثر فعالية بثلاث مرات لرسم الخرائط الفيزيائية للكروموسومات - وهو رسم الخرائط الذي يسمح للعلماء بربط أجزاء الحمض النووي التي يدرسونها بمواقع محددة على سطح الكروموسومات.

لكن هذه الطريقة لم تساعد في تسريع العملية المركزية لفك رموز كل قسم، وسمحت فقط بضم المقاطع القصيرة معًا. في هذه المرحلة دخلت شركة NRGene إلى الصورة، وهي شركة ذات تقنية عالية من السوق الخاصة، والتي تتكون من خريجي وحدة 8200، التي قدمت خوارزمياتها الخاصة لفك تشفير الجينوم. وقال الدكتور جيل رونان، الرئيس التنفيذي لشركة NRGene: "كانت الطريقة متقدمة وفعالة للغاية لدرجة أنها زادت من كفاءة فك التشفير بأكثر من 10 مرات، حتى رفض الكونسورتيوم الدولي في البداية الاعتقاد بأن الطريقة موثوقة بالفعل". فقط بعد أن تعاون باحثون من جامعة تل أبيب وجامعة حيفا ومؤسسات أخرى حول العالم مع فريق NRGene لفك شفرة جينوم القمح البري، ونشروا البحث قبل عام تقريبًا أيضًا في مجلة SCIENCE، اقتنع أعضاء الكونسورتيوم و ودعتهم للعمل معهم على التحدي الكبير حقًا: جينوم قمح الخبز.

وقال البروفيسور عساف: "بعد رؤية الجودة العالية لفك تشفير جينوم القمح البري، تمكنا من إقناع IWGSC باتباع نفس المسار، بل وسمحنا للمجتمع الدولي بالوصول إلى قواعد البيانات بالتسلسلات، حتى قبل النشر الرسمي". ديستلفيلد من معهد الحبوب في جامعة تل أبيب، شريك يضاف إلى الدراسة. يقول الدكتور كيرتس بوزنياك، باحث ومربي القمح من جامعة ساسكاتشوان في كندا، الذي زار إسرائيل في عام 2016 وأيضا بتمويل جزء كبير من البحث.

سمح التعاون الجديد للكونسورتيوم بفك رموز 16 مليار حرف في غضون عام، ولمدة عام آخر عمل الباحثون على فهم ما هو مكتوب في تلك الرسائل. وكما نشرت الدراسة، فإن جينوم القمح المزروع يضم نحو 107 آلاف جين، تشكل نحو 2 بالمئة فقط من الجينوم. 85% من الجينوم عبارة عن تسلسلات من الفيروسات، التي انضمت إلى جينوم القمح خلال ملايين السنين من التطور، وأخذت دورًا مهمًا في تشكيل بنية الجينوم ووظيفته، لكن بشكل عام، ليس لمعظمها تأثير كبير على الأداء اليومي لمصنع القمح.

"إلى أن تم فك رموز الجينوم، كنا مثل الملاحين في الظلام، دون خريطة. لقد استغرق الأمر مني 25 عامًا للعثور على عدد قليل من الجينات ذات الوظائف المهمة، مثل مقاومة الأمراض أو زيادة الجودة الغذائية للقمح. وأعتقد الآن أن هذه العملية يمكن اختصارها إلى حوالي ثلاث إلى خمس سنوات فقط. وقالت البروفيسور فهيمة: "إن هذا اكتشاف ذو أهمية استثنائية لمستقبل البشرية".

التحدي الذي يواجه الباحثين الآن هو العثور في الـ 107 جينة على تلك الجينات التي سيؤدي التلاعب بها إلى إنتاج أصناف قمح ذات إنتاجية أكبر من الحبوب، وتلك التي تنمو بشكل أسرع، ولها قيم غذائية أعلى، ويمكن أن تنمو في ظروف قاسية من البرد أو الحرارة، وبأقل من ذلك. الماء، في التربة الأكثر ملوحة، وأكثر من ذلك. "بمساعدة الأساليب الجديدة، يمكننا الآن إجراء تسلسل سريع لمئات وآلاف أصناف القمح المزروع ومقارنتها بأنواع وأصناف مختلفة من أنواع القمح البري. والآن بعد أن أصبح لدينا التسلسل الكامل لجينوم القمح المزروع كأساس للمقارنة، أصبحت عملية تسلسل الأصناف الأخرى أقل تعقيدا. وبمجرد تحديد الجينات المفيدة، سنعرف أيضًا أين نبحث عن هذه الجينات في الأصناف الأخرى - وبالتالي قد لا نضطر إلا إلى تسلسل نسبة قليلة من جينوم الأصناف البرية حتى نجد الجين المناسب الذي يمكننا من خلاله زراعة القمح الذي ينتج المزيد من الحبوب لكل متر مربع. ليس هناك شك في أن السماء الآن هي الحد الأقصى بالنسبة لنا"، واختتمت البروفيسور فهيمة كلامها.