للنباتات لغة سرية بدأ العلماء للتو في فك شفرتها

عندما نظر روبرت هوك من خلال مجهره إلى شريحة من الفلين وصاغ مصطلح “الخلية” في عام 1665، كان ينظر في الواقع إلى جدران الخلايا الميتة فقط. ستصبح المحتويات الإسفنجية الموجودة عادةً بالداخل موضوعات للدراسة المستمرة. لكن بالنسبة للعديد من علماء النبات، تلاشت الجدران نفسها في الخلفية. لقد تم اعتبارهم حاويات سلبية للبيولوجيا المثيرة بداخلها.

تقول أليس تشيونج، عالمة الأحياء الجزيئية النباتية والكيمياء الحيوية بجامعة ماساتشوستس أمهيرست: «لفترة طويلة، كان يُعتقد أن جدار الخلية ميت بالفعل». يقول تشيونغ إن الأمر لم يبدأ إلا في أواخر القرن العشرين، حيث بدأ العلماء في الكشف عن هيكل جدار الخلية النابض بالحياة والمتغير باستمرار. وحتى في ذلك الوقت، فإن مزيجها المعقد من جزيئات السكر المرتبطة بسكريات عديدة متفرعة طويلة، أبعد جميع علماء الكيمياء الحيوية جرأة.

أخيرًا تم حل لغز الوراثة الذي يعود تاريخه إلى قرن من الزمان حول بازلاء مندل

ولكن الآن، وبمساعدة الأساليب الجزيئية الحديثة لتحليل تركيبة الجدار وتجميعه، بدأ الباحثون في اكتشاف المزيد. لقد وجدوا أن جدار الخلية مشارك نشط، بل ومشارك في النمو الخلوي والتكاثر والاستجابات للعدوى. إنه يستقبل ويرسل باستمرار إشارات حول شكله وتكوينه. ومن خلال التنصت على تلك الإشارات، وتعديلها أو الإضافة إليها، يتمكن العلماء من ذلك استكشاف طرق مبتكرة لتحسين الزراعة مع علم جدار الخلية: حماية المحاصيل من الأمراض و هندسة مصانع جديدة أو الهجينة القوية.

يقول لي جيا تشو، عالِم الأحياء النباتية بجامعة بكين في بكين: “يُعد جدار الخلية النباتية واحدًا من أكثر الأنظمة تطورًا من حيث الاتصالات”. هدفه على المدى الطويل هو استخدام ما تعلمه عن تلك الرسائل لتهجين النباتات ذات الصلة البعيدة، وخلق محاصيل مثيرة يمكن أن توسع الزراعة إلى أراض جديدة.

هذه الجدران يمكنها التحدث

الجدار هو واجهة النبات مع بيئته، بما في ذلك الملح وعوامل الضغط الأخرى أو عوامل الأمراض مثل العفن، لذلك يجب أن يلاحظ الضرر ويتكيف وفقًا لذلك.

يتم بناء جدران خلايا النبات النامي بشكل رئيسي من السكريات، بما في ذلك الكابلات الصلبة من السليلوز وخيوط البكتين الهلامية. وهذه الأخيرة عبارة عن جزيئات شديدة التعقيد، ومتفرعة بطرق متنوعة، ومزينة بإضافات مختلفة مثل مجموعات الميثيل. يقول تشارلز أندرسون، عالم بيولوجيا الخلايا النباتية في جامعة ولاية بنسلفانيا (ولاية بنسلفانيا) في ستيت كوليدج: “إنه مثل وعاء ضخم يضم أنواعًا كثيرة من المعكرونة، كلها ممزوجة معًا”.

وعلى الرغم من أن الجدار يحمي المحتويات الموجودة بداخله، إلا أن بعض مسببات الأمراض تستخدم الإنزيمات للحفر من خلاله وإصابة الخلايا. يؤدي هذا إلى إنشاء شظايا السكاريد التي تشير إلى الخلية بأن شيئًا ما قد اخترق الجدار. وعندما تستشعر الخلية هذه القطع، إلى جانب أجزاء من جدار الخلية المسببة للمرض، فإنها تقوم بتنشيط الجينات في المسارات المناعية للنبات. واستجابة لذلك، يمكن للنبات أن ينتج عديد السكاريد الإضافي، الذي يسمى الكالوز، والذي يعزز جدار الخلية. كما يقوم بتصنيع جزيئات دفاعية مثل الببتيدات المضادة للميكروبات وأنواع الأكسجين التفاعلية.

وقد بدأ المزارعون بالفعل في اختيار مثل هذه الإشارات. ومن خلال رش الجزيئات المشتقة من جدران خلايا الطحالب أو الفطريات فوق حقولها، يمكنهم تهيئة النباتات لمسببات الأمراض التي قد تصل لاحقًا. ومن خلال القيام بذلك، يقومون بتنشيط الاستجابة المناعية “ويسمحون للآلية الطبيعية للنبات بمحاربة العدوى”، كما يقول أنطونيو مولينا، عالم الأحياء النباتية في جامعة مدريد التقنية. ويقول إن هذه الطريقة يمكن أن تساعد المزارعين على تجنب مبيدات الفطريات القاسية.

شاركت مولينا في تأسيس شركتين تستخدمان هذه التقنية، حيث تصنعان مستخلصات من الفطريات أو النباتات كوسيلة لحماية المحاصيل.

يقول سيريل زيبفيل، عالم مناعة النبات بجامعة زيوريخ بسويسرا، إن اللقاحات الحالية عبارة عن خليط خام إلى حد ما، مشتق من النباتات أو مسببات الأمراض. وهو يعمل على فهم الإشارات التي تكمن وراء المسار المناعي، والتي ينبغي أن تمكن العلماء من إنشاء علاجات أكثر تحديدًا، أو حتى اصطناعية.

ومع ذلك، يقول مولينا إن هناك مقايضات. أولاً، تستمر التأثيرات لمدة ثلاثة أو أربعة أسابيع فقط. قد تكون إعادة تطبيق المحاصيل بطيئة النمو مكلفة، لكن مولينا تعتقد أن المزارعين قد يكونون قادرين على تركيز استخدام اللقاحات في الأوقات التي يكون فيها خطر الإصابة بالعدوى مرتفعا، مثل بعد هطول الأمطار، لمنع العفن الفطري.

والتحدي الآخر هو أنه عندما تخصص النباتات موارد لتعزيز دفاعاتها، فإن ذلك يأخذ المواد والطاقة بعيدًا عن النمو، لذلك يجب على المزارعين تطبيق المعالجات بحكمة.

مدعوم من البكتين

يوضح نمو النبات في حد ذاته كيف أن فكرة جدار الخلية كقشرة ثابتة غير كافية. نعم، الخلية تحتاج إلى الجدار كحاوية مادية؛ وإلا فإنه سينفجر من ضغط الماء الهائل بداخله. ولكن لكي تنمو الخلايا النباتية، يجب أن تتوسع جدران الخلايا أولاً، كما يقول سيباستيان وولف، عالم الأحياء الجزيئية النباتية في جامعة توبنغن في ألمانيا.

هذا هو المكان الذي يأتي فيه البكتين. البكتين هو جزيء معقد يتكون من ما لا يقل عن عشرة سكريات، متصلة بأكثر من 20 نوعًا من الروابط، كما يقول وولف. ويضيف: “إنه في الواقع معقد للغاية لدرجة أننا لا نعرف كيف يبدو”. البكتين ديناميكي أيضًا، ويخضع لتعديلات متكررة. اعتمادًا على تلك التعديلات، يمكن أن يكون صلبًا، ويدعم نباتًا قويًا، أو أكثر ليونة عندما يحتاج النبات إلى النمو. لهذا السبب غالبًا ما يستخدم البكتين لصنع مربى البرتقال: تتشابك جزيئات البكتين الناعمة في البداية وتمتص الماء، وتكتسب قوامًا هلاميًا أكثر صلابة.

كيف يمكن أن تنتج تقنية كريسبر المحصول الرائج التالي؟

في النبات النامي، هناك تعديل رئيسي واحد يجعل البكتين ناعمًا أو صلبًا: مجموعات الميثيل المرتبطة بالسكريات المكونة له. عندما يحتاج الجدار إلى المزيد من المواد للنمو أو التعزيز، تقوم الخلية الموجودة بداخلها بتصنيع شكل مزين بالميثيل يُعتقد أنه قابل للذوبان إلى حد ما، بحيث يمكن إفرازه في الجدار المحيط. بمجرد دمج البكتين في الجدار، يبدأ في الثبات. ويحدث هذا عندما تزيل الإنزيمات الميثيل، وتكشف عن الذرات سالبة الشحنة في جزيئات السكر الموجودة تحتها. ترتبط أيونات الكالسيوم الموجودة في الجدار بنوعين من السكر في المرة الواحدة وتربط البكتين في مادة أكثر صلابة يمكنها امتصاص الماء.

عندما كان وولف طالب دراسات عليا في جامعة هايدلبرغ بألمانيا، في أوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، كان مهتمًا بتأثيرات مجموعات الميثيل على البكتين، لذلك قام بصنع نسخة متحورة من نبات الرشاد أرابيدوبسيس ثاليانا، وهو المفضل لدى علماء الوراثة النباتية، والذي لم يتمكن من إزالة مجموعات الميثيل. وتوقع أن يؤدي ذلك إلى تليين جدران الخلايا، لكن النباتات خرجت بشكل أغرب مما كان متوقعًا، بجذور طويلة ومموجة¹. ذكّروه بالطفرات التي تعاني من عيوب في الإشارات الخلوية المتعلقة بالسليلوز، مما دفعه إلى التساؤل عما إذا كان البكتين أيضًا له دور ليس فقط في بنية جدار الخلية، ولكن أيضًا في المحادثات الخلوية.

واستمرارًا لهذا البحث في معهد البحوث الوطني الفرنسي للزراعة والأغذية والبيئة في فرساي، اكتشف وولف إشارة الجدار الخلوي التي تساهم في التحكم في نمو النبات.^1,2. تبدأ المدخلات التي وجدها وولف عندما تلاحظ المستقبلات الموجودة على سطح الخلية وفرة زائدة من البكتين المزين بالميثيل. ويبدو أن ما يحدث ردًا على ذلك هو أنهم يطلبون من الخلية ضبط خطوط إنتاجها، مما يؤدي إلى إنتاج المزيد من إنزيم إزالة الميثيل، بحيث يتمكن الجدار من تثبيت البكتين.

يمكن أيضًا أن تساعد إشارات الجدار الخلوي الخلايا النامية على تبني أشكال خيالية، بما في ذلك أشكال قطع اللغز التي تظهر في ما يعرف بخلايا الرصيف، وهي خلايا سطحية متشابكة تمنح أوراق النبات القوة والبنية (انظر: “توافق جدران الخلايا معًا”). عندما درس أندرسون وزملاؤه الإشارات التي يرسلها جدار الخلية مع تطور خلايا الرصيف أ. ثاليانالقد وجدوا دليلاً على محادثة أخرى بدأها البكتين الخالي من الميثيل ومستقبل يسمى FERONIA، الذي يستشعر هذا النوع من البكتين³. لكن السليلوز مهم هنا أيضًا. هناك حاجة إلى كلا مكوني الجدار الخلوي لتقوية الأجزاء ذات المسافة البادئة من قطعة اللغز، والمعروفة باسم “الرقاب”. وبدون هذا التحصين، تنتفخ بقية الخلية في تلك المساحة. إذا لم تكن FERONIA موجودة، فلن تكون المسافات البادئة عميقة كما تفعل عادةً.

إليكم كيف يعتقدون أن عملية المسافة البادئة تحدث في خلية ورقية صحية: البكتين الخالي من الميثيل في جدار الخلية هو علامة على وجود ما يكفي من البكتين لدعم الرقبة. يلتصق هذا البكتين بمجمع مستقبلات على سطح الخلية يتضمن FERONIA. واستجابة لذلك، تبدأ الخلية بتصنيع السليلوز في نفس المكان. يعمل السليلوز والبكتين معًا على تقوية الجدار حتى يتمكن من دعم المسافة البادئة.

يواصل وولف التحقيق في دور جدار الخلية في تشكيل الخلايا، وأفاد في طبعة أولية في وقت سابق من هذا العام أن الخلايا الجذعية النباتية يجب أن تتحكم في حالة ميثيل البكتين في الجدار للحفاظ على جذعها وتشكيل أجزاء نباتية جديدة.⁴. وهو يعتقد أن هناك إمكانية لاستخدام مسارات الإشارات هذه للتأثير على الطريقة التي تتشكل بها النباتات. ويتكهن قائلاً: “يمكنك تغيير كيفية نمو النباتات وشكلها بشكل جذري”. على سبيل المثال، عندما تنتج النباتات كمية أقل من السليلوز، فإنها تنمو إلى أشكال “قصيرة”. لكنه ينبه إلى أن الباحثين بحاجة إلى معرفة المزيد عن مسارات النمو الأساسية أولاً.

الإمكانات الهجينة

لقد تبين أن مستقبل FERONIA الموجود في تلك الخلايا المكونة من قطع اللغز هو لاعب رئيسي في إشارات جدار الخلية. تم العثور على FERONIA في جميع أنحاء النباتات، وتتفاعل مع مجموعة من الشركاء للتأثير ليس فقط على شكل خلايا الورقة، ولكن أيضًا على مجموعة متنوعة من الأنظمة الأخرى، بدءًا من نمو الجذور وحتى استجابات الإجهاد البيئي. ونظراً لأن الفيرونيا ترتبط بالبكتين للحفاظ على سلامة الجدار، فمن دونه يصبح الجدار ضعيفاً ومسامياً. من اللافت للنظر أن المسوخات التي تفتقر إلى FERONIA تبقى على قيد الحياة، على الرغم من أنها غير صحية إلى حد كبير، كما يقول تشو: إنها تنبت أوراقًا مجعدة ومجعدة، وتتعثر على الأرض لأنها تفتقر إلى الأوعية الدموية التي تحملها في وضع مستقيم. يقول تشو: “إنها صغيرة جدًا، صغيرة جدًا”. ويضيف أن بإمكانهم إنتاج البذور، “ولكنها قليلة جدًا”.