Disruption of the single-copy GOLDEN2-like gene underlies the classical yellow and yellow-mutable mutations of Japanese morning glory

في الآلية الخضراء الهادئة لورقة الشجر، تعمل مصانع صغيرة تسمى البلاستيدات الخضراء بلا كلل لالتقاط ضوء الشمس وتحويله إلى غذاء. تعتمد هذه المصانع على مجموعة محددة من التعليمات لبناء هياكلها الداخلية، ولا سيما الأغشية المتراكمة حيث تحدث عملية حصاد الضوء. وبدون هذه التعليمات، لا يستطيع المصنع التجمع بشكل صحيح، وتفقد النبتة لونها الأخضر النابض بالحياة، لتتحول بدلاً من ذلك إلى اللون الأصفر الشاحب. لطالما عرف العلماء أن عائلة من البروتينات، التي تعمل مثل مفاتيح التحكم الرئيسية لهذه التعليمات، ضرورية لهذه العملية. وفي العديد من النباتات، توجد نسخ عديدة من هذه المفاتيح، لذا إذا فشل أحدها، يمكن لآخر أن يحل محله غالباً. وهذا التكرار يجعل من الصعب دراسة ما يحدث بالضبط عندما يُفقد مفتاح واحد، لأن أنظمة النسخ الاحتياطي تخفي الأثر الحقيقي.

لجأ فريق من الباحثين إلى زهرة "المورنينج جلوري" اليابانية (الخبيزة اليابانية) لحل هذا اللغز. تشتهر هذه الزهرة في المجتمع العلمي بطفرتها الصفراء الكلاسيكية، وهي سمة لوحظت لأكثر من قرن. تمتلك النبتة ذات هذه الطفرة أوراقاً ذات لون أخضر مصفر مريض، وفي بعض الحالات، تكون هذه الطفرة غير مستقرة، مما يؤدي إلى ظهور بقع خضراء بشكل عشوائي على الأوراق الصفراء. ومن خلال دراسة هذه النباتات المحددة، وجد الباحثون فرصة فريدة: فخلافاً لمعظم النباتات، تمتلك "المورنينج جلوري" اليابانية نسخة واحدة فقط من جين مفتاح التحكم الرئيسي المسؤول عن تطور البلاستيدات الخضراء. وهذا يعني عدم وجود نظام نسخ احتياطي لإخفاء عواقب جين معطل. وقد وضع العلماء نصب أعينهم تحديد السبب الجيني الدقيق للون الأصفر ومعرفة كيف يعيد غياب هذا الجين الوحيد تشكيل العالم الداخلي للورقة.

اكتشف الباحثون أن الجين المسؤول عن اللون الأصفر يسمى InGLK. في النباتات الطافرة الصفراء المستقرة، كان هذا الجين معطلاً بسبب خطأ صغير: إدراج مكون من أربعة أحرف في الشفرة الوراثية أدى إلى إزاحة إطار القراءة بأكمله، مما جعل البروتين عديم الفائدة. أما في السلالات غير المستقرة، التي تظهر بقعاً خضراء على خلفية صفراء، فقد قُطع الجين بواسطة قطعة من المادة الوراث تسمى "الترانسبوزون" (الجين القافز). كانت هذه القطعة من الحمض النووي قد أدرجت نفسها في منتصف الجين. وعندما قفز "الترانسبوزون" خارجاً مرة أخرى، ترك الجين وظيفياً في بعض الأحيان، مما سمح للنبتة بنمو أنسجة خضراء. وقد أوضحت هذه الآلية سبب قدرة النباتات غير المستقرة على العودة إلى اللون الأخضر في مناطق معينة، بينما ظلت الطفرات المستقرة صفراء في كل مكان.

لفهم ما كان يحدث داخل الأوراق، فحص الفريق مستويات الصبغة والبنية المجهرية للخلايا. ووجدوا أن الأنسجة ذات الخلفية الخضراء المصفرة تحتوي على كميات أقل بكثير من الأصباغ التي تمنح الأوراق لونها وتقود عملية التمثيل الضوئي. ومع ذلك، ظلت النسبة بين النوعين الرئيسيين من الصبغة الخضراء كما هي في النباتات السليمة. وعندما نظروا إلى البلاستيدات الخضراء تحت مجهر قوي، كان الفرق صارخاً. كانت البلاستيدات الخضراء في الأنسجة الصفراء لا تزال تحتوي على بعض الهياكل الداخلية، مثل طبقات الغشاء والحبيبات الشبيهة بالنشا، لكنها افتقرت إلى الترتيب المنظم والمتراكم المشاهد في الأوراق الخضراء السليمة. كانت الأغشية الداخلية شحيحة وغير منظمة. وفي البقع الخضراء التي ظهرت في النباتات غير المستقرة، وفي النباتات التي غادر فيها الحمض النووي القافز الجين تماماً، بدت البلاستيدات الخضراء طبيعية مرة أخرى، مع وجود تتابعات مكتملة التكوين وصبغات غنية.

تؤكد هذه النتائج أن فقدان هذا الجين الوحيد كافٍ لتعطيل التطور الكامل للبلاستيدات الخضراء، مما يقلل من إنتاج الصبغة ويشوه البنية الداخلية. ولأن "المورنينج جلوري" اليابانية تمتلك نسخة واحدة فقط من هذا الجين، فإن النبتة لا تستطيع التعويض عن الفقدان، مما يجعل آثار الطفرة واضحة وكاملة. وتظهر الدراسة أن هذا الجين الوحيد هو المحرك الأساسي لبناء آلات التمثيل الضوئي في هذا النوع. ومن خلال توفير نظام يؤدي فيه تغير جيني واحد إلى تحول كامل ومرئي في بنية الورقة، تقدم هذه الطفرات الصفراء نافذة واضحة على كيفية بناء النباتات لمحطات الطاقة الشمسية الخاصة بها، بعيداً عن ارتباك جينات النسخ الاحتياطي.